funktionentheorie - leibniz universität hannover · 2020. 7. 16. · tionen kann man ohne muhe...

FunktionentheorieSommersemester 2004

W. Ebeling

1

c©Wolfgang EbelingInstitut für Algebraische GeometrieLeibniz Universität HannoverPostfach 600930060 HannoverE-mail: [email protected]

1 Die komplexen Zahlen 1

Literatur

• L. Ahlfors: Complex Analysis, McGraw-Hill, 1966.

• H. Cartan: Elementare Theorie der analytischen Funktionen einer odermehrerer komplexer Veränderlichen. BI Wissenschaftsverlag, 1966.

• W. Fischer, I. Lieb: Funktionentheorie. 6. Auflage, Vieweg, 1992.

• W. Forst, D. Hoffmann: Funktionentheorie erkunden mit Maple. Sprin-ger, 2002.

• E. Freitag, R. Busam: Funktionentheorie 1. 3. Auflage, Springer, 2000.

• K. Jänich: Funktionentheorie. 5. Auflage, Springer, 1999.

• R. Remmert, G. Schumacher: Funktionentheorie 1. 5. Auflage, Springer,2002.

1 Die komplexen Zahlen

Funktionentheorie ist die Theorie der komplex differenzierbaren Funktionenkomplexer Veränderlicher. Die komplexen Zahlen wurden bereits in Analy-sis I eingeführt. Man kann sie auf verschiedene Weise konstruieren. Um diefolgenden Ausführungen nicht ganz zur Wiederholung werden zu lassen, hiereine andere Art:

Es sei

C :={(

a −bb a

) ∣∣∣∣ a, b ∈ R} ⊂M(2× 2,R).Dabei ist M(2× 2,R) der Ring der 2× 2-Matrizen über R.

Für Matrizen sind bekanntlich Addition und Multiplikation erklärt, damitauch auf C.

Satz 1.1 Mit diesen Operationen ist C ein Körper. Er heißt Körper derkomplexen Zahlen.

Beweis. Die Abgeschlossenheit der Menge C gegenüber den genannten Opera-tionen kann man ohne Mühe nachrechnen. Die multiplikative Invertierbarkeitvon Elementen 6= 0 ergibt sich so: Es gilt

a2 + b2 = det

(a −bb a

)6= 0 für

(a −bb a

)6= 0,


also ist in diesem Fall die Matrix invertierbar. 2

Offenbar ist C ein R-Vektorrraum und besitzt als solcher die R-Basis

1 :=

(1 00 1

), i :=

(0 −11 0

).

Jedes Element von C kann also so geschrieben werden:(a −bb a

)= a

(1 00 1

)+ b

(0 −11 0

)= a · 1 + b · i, a, b ∈ R.

Die Abbildungϕ : R −→ C

a 7−→ a · 1

ist ein injektiver Körperhomomorphismus. Deshalb ist ϕ(R) ein zu R isomor-pher Unterkörper von C. Wir fassen damit R als Teilmenge von C auf undschreiben a statt a · 1.

Jede komplexe Zahl z lässt sich also auf eindeutige Weise schrieben als

z = x+ y · i = x+ iy, x, y ∈ R.

Aus dieser Definition lässt sich leicht berechnen, wie in der neuen Schreibwei-se die Addition und Multiplikation aussehen: Für z1 = x1 + iy1, z2 = x2 + iy2ist

z1 + z2 = (x1 + x2) + i(y1 + y2),

z1 · z2 = (x1x2 − y1y2) + i(x1y2 + x2y1).

Insbesondere ist i2 = −1.Wir haben daher mit C einen R enthaltenden Körper konstruiert, in dem

die Gleichung x2 + 1 = 0 Lösungen hat, nämlich ±i.

Bemerkung 1.1 Die komplexen Zahlen wurden im 16. Jahrhundert vonCardano und Bombelli eingeführt. Das Symbol i (für imaginär) stammt vonL. Euler (1707–1783). Der Körper C ist der (bis auf Isomorphie) eindeutigbestimmte Körper, der R als Unterkörper enthält und als R-Vektorraumendliche Dimension hat.

Zur Bezeichnung komplexer Zahlen verwenden wir oft die Buchstaben zoder w:

z = x+ iy, x, y ∈ R.

Die Zahl Re(z) := x heißt Realteil, Im(z) := y Imaginärteil von z.


Geometrisch veranschaulichen lassen sich die komplexen Zahlen mit Hil-fe der Gaußschen (oder komplexen) Zahlenebene. Die x-Achse repräsentiertden Unterkörper R von C, sie heißt daher auch reelle Achse; die y-Achserepräsentiert die Zahlen von der Form iy mit y ∈ R, die wir rein imaginärnennen; sie heißt die imaginäre Achse. Der Addition komplexer Zahlen ent-spricht die Addition der Ortsvektoren nach der Parallelogrammregel.

Der Körper R ist ein angeordneter Körper. Es gibt aber keine Ordnungs-relation


Falls z = x+ iy,zz = x2 + y2 ∈ R.

Wir setzen nun für z = x+ iy

|z| = ||(x, y)||eukl =√x2 + y2 =

√z · z.

Die reelle Zahl |z| heißt der Betrag von z. Der Betrag in C hat die schon vomBetrag reeller Zahlen bekannten Eigenschaften.

Satz 1.3 Für komplexe Zahlen z, z1, z2 gilt:

(i) |z| ≥ 0, |z| = 0⇔ z = 0.

(ii) |αz| = |α||z| für alle α ∈ R.

(iii) |z1 + z2| ≤ |z1|+ |z2| (Dreiecksungleichung).

(iv) |z1 · z2| = |z1| · |z2|.

Bemerkung 1.3 (i)–(iii) sind die Eigenschaften einer Norm, (i)–(iii) besa-gen also, dass C ein normierter R-Vektorraum ist.

Beweis. (i)–(iii) gelten, da |z| = ||(x, y)|| euklidisch.Zu (iv):

|z1z2|2 = z1z2z1z2 = z1z2z1z2 = z1z1z2z2 = |z1|2|z2|2.

2

Wir halten noch fest:

z−1 =1

z · zz =

1

|z|2z.

Aufgrund der Eigenschaften der komplexen Konjugation können Gleichungenin x, y umgeschrieben werden in Gleichungen in z und z.

Beispiel 1.1 Kreis um a = a1 + ia2 vom Radius r:

Dr(a) = {z ∈ C | |z − a|2 = r2}= {z ∈ C | (z − a)(z − a) = r2}= {x+ iy ∈ C | (x− a1)2 + (y − a2)2 = r2}


In der Ebene kann man bekanntlich Polarkoordinaten einführen (sieheAnalysis I). Punkte (x, y) ∈ R2 lassen sich in der Form

(x, y) = (r cosϕ, r sinϕ), r =√x2 + y2, ϕ Winkel zur x-Achse,

schreiben. Sieht man die Ebene als komplexe Zahlenebene an, so ergibt dasdie Darstellung

z = r(cosϕ+ i sinϕ) = reiϕ.

Dabei fassen wir eiϕ zunächst als abkürzende Schreibweise auf. Später werdenwir auch die komplexe Exponentialfunktion einführen.

Der Winkel ist leider nicht eindeutig bestimmt, denn für jedes k ∈ Z ist

ei(ϕ+2πk) = eiϕ.

Für z = eiϕ 6= 0 definiert man das Argument

arg(z) := [ϕ] ∈ R/2πZ.

Das Argument arg(z) ist also eine Restklasse und sie enthält alle möglichenWinkel ϕ, für die z = reiϕ ist.

In dieser Schreibweise erhalten wir für das Produkt von z1 = r1eiϕ1 und

z2 = r2eiϕ2

z1 · z2 = r1r2(cosϕ1 + i sinϕ1)(cosϕ2 + i sinϕ2)= r1r2(cosϕ1 cosϕ2 − sinϕ1 sinϕ2

+ i(sinϕ1 cosϕ2 + sinϕ2 cosϕ1))

= r1r2(cos(ϕ1 + ϕ2) + i sin(ϕ1 + ϕ2)).

Dabei wurden die Additionstheoreme verwendet. Damit ist auch die geome-trische Interpretation der Multiplikation klar: Man multipliziert zwei komple-xe Zahlen, indem man ihre Argumente addiert und ihre Beträge multipliziert.

Für das Inverse einer komplexen Zahl z 6= 0 erhalten wir also∣∣z−1∣∣ = 1|z|,

arg(z−1) = −arg(z).

Als Anwendung bestimmen wir die n-ten Einheitswurzeln. Eine Lösungder Gleichung zn = 1 nennt man eine n-te Einheitswurzel. Es sei z = reiϕ.Es gilt

zn = rneinϕ = 1⇔ rn = 1, d.h. r = 1, und nϕ ∈ 2πZ.

2 Holomorphe Funktionen 6

Es gilt also

{z ∈ C | zn = 1} = {ei2πkn | k ∈ Z}.

Die aufgezählten Elemente sind aber nicht alle paarweise verschieden; viel-mehr ist

eiϕ1 = eiϕ2 ⇔ ϕ1 − ϕ2 ∈ 2πZ.Damit haben wir bewiesen:

Satz 1.4 Es gibt genau n n-te Einheitswurzeln, nämlich

ei2πkn , k = 0, 1, . . . , n− 1.

Aufgabe 1.1 Man skizziere die n-ten Einheitswurzeln für n ≤ 6!

Aufgabe 1.2 Wie sehen die Lösungen der Gleichung

zn = a, a = reiϕ 6= 0,

aus?

2 Holomorphe Funktionen

Es sei U eine offene Teilmenge des Rn. In Analysis II haben wir Abbildun-gen f : U → Rm betrachtet. In der Funktionentheorie beschränken wir unsauf den Fall n = m = 2, und wir identifizieren R2 mit dem Körper C derkomplexen Zahlen. Wir werden im Folgenden stets R2 als C auffassen.

Wir können damit alle Begriffe der Topologie für die Menge der komple-xen Zahlen übernehmen. Ist U ⊂ C offen, so ist definiert, was eine stetigeFunktion f : U → C ist.

Andererseits kann man eine Funktion f : U → C nun als eine Funktioneiner komplexen Veränderlichen auffassen und damit Begriffe aus Analysis Iauf solche Funktionen übertragen. Das geschieht beim Begriff der komplexenDifferenzierbarkeit, den wir nun betrachten wollen.

Es sei U ⊂ C eine offene Menge, f : U → C eine Funktion und z0 ∈ U .

Definition Die Funktion f : U → C heißt in z0 komplex differenzierbargenau dann, wenn

limz→z0

f(z)− f(z0)z − z0

existiert.

Dabei ist der Grenzwert über alle z ∈ U mit z 6= z0 zu bilden. (Der Grenzwertist wohldefiniert, denn wir wissen ja, wie man Grenzwerte in R2 = C bildet,und der Quotient ist der Quotient zweier komplexer Zahlen.)

Existiert der genannte Limes, so wird er mit f ′(z0) bezeichnet.


Eine äquivalente Formulierung ist: f ist in z0 komplex differenzierbargenau dann, wenn es ein α ∈ C und eine in z0 stetige Funktion r : U → Cgibt, so dass für alle z ∈ U gilt

f(z) = f(z0) + α · (z − z0) + r(z)(z − z0)

undr(z0) = 0.

Diese Formulierung entspricht der Formulierung in Analysis II. Sie besagt,dass es ein α ∈ C geben muss, so dass die Funktion

r(z) =

{f(z)−f(z0)

z−z0 − α für z 6= z0,0 für z = z0,

in z0 stetig ist, d.h. es muss ein α ∈ C geben, so dass gilt

limz→z0

r(z) = 0.

Das ist aber gerade die Bedingung der obigen Definition.Eine weitere Formulierung: f ist genau dann in z0 komplex differenzierbar,

wenn es eine in z0 stetige Funktion ∆ : U → C mit

f(z) = f(z0) + (z − z0)∆(z)

für alle z ∈ U gibt.Diese Formulierung erhält man, indem man

∆(z) := α + r(z)

setzt.Erinnern wir uns nun an die Definition der Differenzierbarkeit aus Ana-

lysis II. Es sei U ⊂ Rn offen, f : U → Rm eine Abbildung. Dann heißtf differenzierbar in z0 ∈ U genau dann, wenn es eine lineare AbbildungT : Rn → Rm und eine in z0 stetige Abbildung r : U → Rm gibt, so dass füralle z ∈ U gilt

f(z) = f(z0) + T (z − z0) + r(z)||z − z0||

undr(z) = 0.

Zum Vergleich mit der obigen Definition betrachten wir den Fall n =m = 2. Der wesentliche Unterschied zu der obigen Definition (wenn man von


der Norm absieht, die aber keine Rolle spielt) besteht darin, dass hier dieExistenz einer R-linearen Abbildung T : R2 → R2 gefordert wird.

Wir haben R2 mit C definiert. Die Menge C ist ein 1-dimensionaler Vek-torraum über C; jede C-lineare Abbildung C→ C ist daher die Multiplikationmit einem komplexen Skalar α ∈ C (warum?). Komplexe Differenzierbarkeitbedeutet also die Approximierbarkeit durch eine C-lineare Abbildung.

Wann ist eine reell differenzierbare Funktion f : U → C komplex differen-zierbar? Dazu untersuchen wir die Frage, welche der R-linearen AbbildungenR2 → R2, also der Matrizen (

a cb d

),

C-linear sind.Wir identifizieren im Folgenden die komplexe Zahl x+ iy mit dem Vektor(

xy

)∈ R2.

Die R-lineare Abbildung(xy

)7→(a cb d

)(xy

)=

(ax+ cybx+ dy

)ist C-linear genau dann, wenn für jede komplexe Zahl λ+ iµ gilt:(

a cb d

)[(λ+ iµ) ·

(xy

)]= (λ+ iµ) ·

(ax+ cybx+ dy

).

Dabei ist · die Multiplikation in C! Da das Herausziehen reeller Skalare un-problematisch ist, reduziert sich das Problem auf: Wann ist(

a cb d

)[i ·(xy

)]= i ·

(a cb d

)(xy

)für alle

(xy

)∈ R2?

Wegen

i ·(xy

)=

(0 −11 0

)(xy

)=

(−yx

)folgt, dass dies genau dann der Fall ist, wenn gilt:(

a cb d

)und

(0 −11 0

)sind vertauschbar.

Damit erhalten wir:


Lemma 2.1 Die durch die Matrix(a cb d

)beschriebene R-lineare Abbildung R2 → R2 ist genau dann C-linear, wennd = a und c = −b gilt.

Anders ausgedrückt: Die Menge der C-linearen R-linearen AbbildungenR2 → R2 ist {(

a −bb a

) ∣∣∣∣ a, b ∈ R} .Diese Menge ist gerade wieder C, siehe §1. Dies sind alle C-linearen Abbil-dungen R2 → R2, da jede solche C-lineare Abbildung automatisch R-linearist.

Durch Vergleich der Definitionen von komplexer und reeller Differenzier-barkeit erhalten wir:

Satz 2.1 Es sei U ⊂ C offen, z0 ∈ U und f : U → C eine Funktion.Dann ist f in z0 ∈ C genau dann komplex differenzierbar, wenn f in z0 reelldifferenzierbar und die Ableitung f ′(z0) C-linear ist.

Es sei f : U → C in z0 reell differenzierbar. Schreiben wir z = x+ iy und

f(z) = u(x, y) + iv(x, y),

so lautet die Jacobimatrix von f in z0:(ux(z0) uy(z0)vx(z0) vy(z0)

).

Damit erhalten wir aus Lemma 2.2 den folgenden Satz.

Satz 2.2 Es sei U ⊂ C, z0 ∈ U , f : U → C wie oben. Dann ist f genaudann in z0 komplex differenzierbar, wenn f in z0 reell differenzierbar ist undfolgende Cauchy-Riemann-Gleichungen gelten:

ux(z0) = vy(z0), uy(z0) = −vx(z0).

Definition Es sei U ⊂ C offen. Eine Funktion f : U → C heißt genau dannholomorph in U , wenn sie in jedem Punkt von U komplex differenzierbar ist.

Satz 2.3 Es sei U ⊂ C offen, f : U → R2 sei als reelle Funktion stetigpartiell differenzierbar und es gelten die Cauchy-Riemannschen Differential-gleichungen

ux = vy und uy = −vx in ganz U.Dann ist f holomorph in U .


Beweis. Aus der Existenz und Stetigkeit aller partiellen Ableitungen folgtdie reelle Differenzierbarkeit (Analysis II). Damit folgt die Behauptung ausSatz 2.2. 2

Beispiele 2.1 (i) Konstante Funktionen f sind holomorph auf C.(ii) Die Identität f(z) = z = x+ iy ist holomorph auf C.(iii) Die Funktion

f(z) = z3 = (x+ iy)3 = x3 − 3xy2 + i(3x2y − y3),

u(x, y) = x3 − 3xy2, v(x, y) = 3x2y − y3,ist holomorph auf C. Man rechnet nach, dass die Cauchy-Riemann-Differen-tialgleichungen erfüllt sind.

(iv) Die Funktion f(z) = z ist nirgends komplex differenzierbar: Es giltüberall ux 6= vy. (Die komplexe Konjugation ist R-linear, aber nicht C-linear.)

Die komplexe Exponentialfunktion definieren wir wie folgt:

exp z := ez = ex+iy = exeiy := ex(cos y + i sin y).

Es giltux = e

x cos y, uy = −ex sin y,vx = e

x sin y, vy = ex cos y.

Also ist exp holomorph in C.Wir berechnen nun die komplexen Ableitungen. Wegen der Cauchy-Riemannschen

Differentialgleichungen erhält man als Ableitung einer holomorphen Funktionf(z) = u+ iv:

f ′(z) = ux + ivx.

Beispielsweise ist

(z3)′ = 3(x2 − y2 + 2ixy) = 3(x+ iy)2 = 3z2,(ez)′ = ez,

wie im Reellen.Weiter definieren wir

cos z :=1

2(eiz + e−iz),

sin z :=1

2i(eiz − e−iz).

Nun ist

eiz = e−y(cosx+ i sinx),

e−iz = ey(cosx− i sinx).


Also ist

cos z =1

2(ey + e−y) cosx+

i

2(e−y − ey) sinx,

sin z =1

2(e−y + ey) sinx+

i

2(ey − e−y) cosx.

Für reelle z ergibt sich damit die alte Definition. Die Funktionen cos und sinsind holomorph in C und es gelten die üblichen Regeln:

(cos z)′ = − sin z,(sin z)′ = cos z.

Die folgenden Differentiationsregeln beweist man wie in Analysis I.

Satz 2.4 Die Funktionen f, g : U → C seien in z0 ∈ U komplex differen-zierbar. Dann gilt:

(i) Die Funktion f + g ist in z0 komplex differenzierbar mit

(f + g)′(z0) = f′(z0) + g

′(z0).

(ii) Die Funktion f · g ist in z0 komplex differenzierbar mit

(f · g)′(z0) = f ′(z0) · g(z0) + f(z0) · g′(z0).

Satz 2.5 (Kettenregel) Es seien U, V ⊂ C offen, f : U → C, g : V → CFunktionen mit f(U) ⊂ V ; f sei in z0 ∈ U und g in f(z0) ∈ V komplexdifferenzierbar.

Dann ist g ◦ f in z0 komplex differenzierbar und es gilt

(g ◦ f)′(z0) = g′(f(z0)) · f ′(Z0).

Satz 2.6 Ist f : U → C in z0 komplex differenzierbar und f(z0) 6= 0, so ist1f

in einer Umgebung von z0 erklärt, in z0 komplex differenzierbar, und esgilt (

1

f

)′(z0) = −

f ′(z0)

f(z0)2.

Beweis. Wir betrachten die Abbildung U = C \ {0} → C, z 7→ 1z. Ist z =

x+ iy, so gilt1

z=

x− iyx2 + y2

,


also

u(x, y) =x

x2 + y2, v(x, y) =

−yx2 + y2

.

Daher ist

ux =x2 + y2 − 2x2

(x2 + y2)2, vx =

2xy

(x2 + y2)2.

Daraus leitet man sofort ux = vy, uy = −vx in U ab. Daher ist die obigeFunktion holomorph in U und es gilt(

1

z

)′= ux + ivx =

y2 − x2 + 2ixy(x2 + y2)2

=(y + ix)2

(y − ix)(y + ix)(y − ix)(y + ix)=

1

i2(x+ iy)2= − 1

z2.

Die Behauptung des Satzes folgt daher aus der Kettenregel. 2

Satz 2.7 (Quotientenregel) Sind f : U → C und g : U → C beide in z0komplex differenzierbar und ist g(z0) 6= 0, so ist fg in z0 komplex differenzier-bar und es gilt (

f

g

)′(z0) =

g(z0)f′(z0)− f(z0)g′(z0)g(z0)2

.

Korollar 2.1 Komplexe Polynome p(z) =∑n

k=0 akzk sind auf ganz C holo-

morphe Funktionen und es gilt

p′(z) =n∑k=1

kakzk−1.

Rationale Funktionen sind in ihrem jeweiligen Definitionsbereich holomorph;die Ableitung einer rationalen Funktion ist wieder rational.

Bemerkung 2.1 Wir geben noch einen anderen naiven Beweis für die Cau-chy-Riemann-Differentialgleichungen: Die Funktion f : U → C sei komplexdifferenzierbar in z0 ∈ U . Nach Definition gilt dann

limz→z0

f(z)− f(z0)z − z0

= f ′(z0).

Dies besagt: Durchläuft z irgendeine gegen z0 konvergente Folge in U , sodurchläuft der Differenzenquotient eine gegen f ′(z0) konvergente Folge. Dabeikann die gegen z0 konvergente Folge ganz beliebig sein.


1) Wir können z.B. nur reelle Werte für die Differenz z − z0 zulassen:

f ′(z0) = limh→0, h reell

f(z0 + h)− f(z0)h

=∂f

∂x(z0) =

∂u

∂x(z0) + i

∂v

∂x(z0).

2) Wir können aber auch nur rein imaginäre Werte für z − z0 zulassen:

f ′(z0) = limh→0, h reell

f(z0 + ih)− f(z0)ih

= −i∂u∂y

(z0) +∂v

∂y(z0),

da aus z0 = x0 + iy0 folgt: z0 + ih = x0 + i(y0 + h). Ein Vergleich von Real-und Imaginärteil der beiden Darstellungen von f ′(z0) zeigt, dass in z0 dieCauchy-Riemann-Differentialgleichungen

ux = vy und uy = −vx

gelten.

Wir brauchen für das Folgende einen Satz, der zur Linearen Algebragehört. Dazu noch eine Definition.

Definition Eine Funktion f : C→ C heißt C-antilinear genau dann, wennfür alle z1, z2, λ, µ ∈ C gilt

f(λz1 + µz2) = λf(z1) + µf(z2).

Bemerkung 2.2 Aus

f(z) = f(z · 1) = z · f(1)

folgt, dass eine C-antilineare Funktion f : C → C von der Form f(z) = azfür ein a ∈ C ist.

Satz 2.8 Jede R-lineare Abbildung

A =

(a cb d

): R2 → R2

lässt sich auf genau eine Weise als Summe einer C-linearen und einer C-antilinearen Abbildung schreiben, d.h.: Zu A gibt es eindeutig bestimmte kom-plexe Zahlen A1 und A2, so dass für alle z ∈ R2 gilt:

Az = A1 · z + A2 · z.

(Dabei steht links die Anwendung der Matrix A auf den Vektor z und rechtsdie Multiplikation in C.)


Beweis. Sind A1, A2 ∈ C gegeben, so ist die Abbildung z 7→ A1 · z + A2 · zR-linear:

A1 · λz = λA1 · z,A2 · λz = λA2 · z

für λ ∈ R, da λ = λ.Eine R-lineare Abbildung R2 → R2 ist aber eindeutig bestimmt durch

ihre Werte auf einer Basis, z.B. auf

1 = (1, 0) und i = (0, 1).

Die behauptete Gleichung gilt also genau dann wenn

a+ ib = A1 + A2,

c+ id = i(A1 − A2).

Diese beiden Gleichungen sind äquivalent zu

A1 =a+ d

2+ i

b− c2

,

A2 =a− d

2+ i

b+ c

2.

2

Bemerkung 2.3 Die Abbildung A ist offenbar genau dann C-linear, wennA2 = 0 ist.

Lemma 2.2 Ist A : R2 → R2 gegeben durch Az = A1 ·z+A2 ·z, A1, A2 ∈ C,B : R2 → R2 gegeben durch Bz = B1 ·z+B2 ·z, B1, B2 ∈ C, so wird C = B◦Agegeben durch Cz = C1z + C2z mit

C1 = B1A1 +B2A2,

C2 = B1A2 +B2A1.

Beweis.

B(Az) = B(A1 · z + A2 · z)= B1(A1 · z + A2 · z) +B2(A1 · z + A2 · z)= (A1B1 +B2A2)z + (B1A2 +B2A1)z.

2

Wenden wir Satz 2.8 auf die lineare Abbildung T aus der Definition derreellen Differenzierbarkeit von f : U → C an, so erhalten wir:


Satz 2.9 Eine Funktion f : U → C ist in z0 genau dann reell differenzierbar,wenn es A1, A2 ∈ C und eine in z0 stetige Funktion r : U → C gibt, so dassr(z0) = 0 und für alle z ∈ U gilt:

f(z) = f(z0) + A1 · (z − z0) + A2 · (z − z0) + r(z)|z − z0|.

Definition Die eindeutig bestimmten Zahlen A1, A2 ∈ C aus Satz 2.9 hei-ßen Wirtinger-Ableitungen von f in z0 und werden wie folgt bezeichnet:

∂f

∂z(z0) := A1,

∂f

∂z(z0) := A2.

Mit der Jacobi-Matrix(a cb d

)=

(ux uyvx vy

)ergibt sich aus dem Beweis von Satz 2.8:

∂f

∂z=

ux + vy2

+ ivx − uy

2=

1

2(fx − ify) (1)

∂f

∂z=

ux − vy2

+ ivx + uy

2=

1

2(fx + ify) (2)

Aus Satz 2.3 ergibt sich damit die komplexe Form der Cauchy-Riemann-Differentialgleichungen:

Satz 2.10 Für eine Funktion f : U → C ist äquivalent:

(i) f ist in z0 komplex differenzierbar.

(ii) f ist in z0 reell differenzierbar und es ist

∂f

∂z(z0) = 0.

Zusatz Ist f in z0 komplex differenzierbar, so ist

f ′(z0) =∂f

∂z(z0) =

1

2

(∂f

∂x(z0)− i

∂f

∂y(z0)

).

Man kann die obigen Gleichungen (1) und (2) auch noch anders einsehen:Der Übergang von x + iy nach z = x + iy, z = x − iy entspricht einerKoordinatentransformation mit Umkehrabbildung

x =1

2(z + z),

y =1

2i(z − z).


Die obigen Gleichungen folgen dann aus der Kettenregel (z, z als reelle Va-riable aufgefasst):

∂f

∂z= ux ·

∂x

∂z+ uy ·

∂y

∂z+ i

(vx ·

∂x

∂z+ vy ·

∂y

∂z

).

Aus∂x

∂z=

1

2,

∂y

∂z= − 1

2ifolgen dann die obigen Gleichungen.

Als Folgerung aus Satz 2.10 erhalten wir:

Satz 2.11 Ist f auf einer offenen und wegzusammenhängenden Menge Gholomorph und gilt f ′ ≡ 0, so ist f konstant.

Beweis. Dann ist nämlich nach Satz 2.10 nebst Zusatz

∂f

∂z= f ′ = 0 und

∂f

∂z= 0,

also sind die reellen Ableitungen von f alle Null, und f ist damit nach Ana-lysis II, Satz 5.12, konstant. 2

Rechenregeln für die Wirtinger-Ableitungen

1. ∂∂z

, ∂∂z

sind lineare Operatoren.

2. Produktregel: Sind f, g : U → C in z0 reell differenzierbar, so gilt∂(f · g)∂z

(z0) =∂f

∂z(z0) · g(z0) +

∂g

∂z(z0) · f(z0),

∂(f · g)∂z

(z0) =∂f

∂z(z0) · g(z0) +

∂g

∂z(z0) · f(z0).

Beweis. Es gilt

f(z) = f(z0) + A1 · (z − z0) + A2 · (z − z0) + r(z)|z − z0|,g(z) = g(z0) +B1 · (z − z0) +B2 · (z − z0) + s(z)|z − z0|,

r(z0) = s(z0) = 0.

Also ist

f(z) · g(z) = f(z0) · g(z0)+ [g(z0) · A1 + f(z0) ·B1](z − z0)+ [g(z0) · A2 + f(z0) ·B2](z − z0)+R(z)|z − z0|

mit R(z0) = 0, R stetig in z0. 2

3 Kurvenintegrale 17

3.∂f

∂z=∂f

∂z,

∂f

∂z=∂f

∂z.

4.∂z

∂z= 1,

∂z

∂z= 0,

∂z

∂z= 0,

∂z

∂z= 1.

(3. + 4. folgen aus den Gleichungen (1) und (2).)

5. Kettenregel: Gegeben seien f : U → C, g : V → C, f(U) ⊂ V undz0 ∈ U . Ist f in z0 und g in f(z0) reell differenzierbar, so ist g ◦ f in z0reell differenzierbar und es gilt

∂(g ◦ f)∂z

(z0) =∂g

∂z(f(z0)) ·

∂f

∂z(z0) +

∂g

∂z(f(z0)) ·

∂f

∂z(z0),

∂(g ◦ f)∂z

(z0) =∂g

∂z(f(z0)) ·

∂f

∂z(z0) +

∂g

∂z(f(z0)) ·

∂f

∂z(z0).

Beweis. Dies folgt aus Lemma 2.2. 2

Aus diesen Rechenregeln folgt: Wir können Polynome in z, z betrachten:

f(z) :=k∑

κ=0

∑̀λ=0

aκλzκzλ.

Diese Funktionen sind reell-differenzierbar, also partiell nach z und z diffe-renzierbar. Das Polynom f(z) ist genau dann holomorph, wenn

∂f

∂z= 0

ist. Letzteres ist genau dann der Fall, wenn z nicht in f vorkommt.

3 Kurvenintegrale

Das wesentliche Werkzeug der Funktionentheorie ist der Kalkül der Kurven-integrale.

Bevor wir diese Integrale erklären, stellen wir einige Tatsachen über dieIntegration komplexwertiger Funktionen auf reellen Intervallen zusammen.

Es seien a, b ∈ R, a < b. Gegeben sei eine stetige Funktion

g : [a, b]→ C.


Wir erklären das Integral von g durch∫ ba

g(t) dt :=

∫ ba

Re g(t) dt+ i

∫ ba

Im g(t) dt.

Allgemeiner können wir dadurch das Integral für eine stückweise stetigeFunktion g : [a, b] → C definieren. Eine Funktion g : [a, b] → C heißtstückweise stetig, wenn es eine Zerlegung a = t0 < t1 < . . . < tk = b von [a, b]gibt, so dass g|(tj−1,tj) stetig ist und auf [tj−1, tj] stetig fortgesetzt werdenkann für jedes j = 1, . . . , k. Man setzt dann∫ b

a

g(t) dt :=k∑j=1

∫ tjtj−1

g(t) dt.

Das Integral hat folgende Eigenschaften: Es ist ein reeller C-linearer Opera-tor: Für λ1, λ2 ∈ C und stückweise stetige Funktionen g, g1, g2 : [a, b] → Cgilt: ∫ b

a

(λ1g1(t) + λ2g2(t)) dt = λ1

∫ ba

g1(t) dt+ λ2

∫ ba

g2(t) dt,∫ ba

g(t) dt =

∫ ba

g(t) dt.

Der Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung bleibt gültig: Ist g :[a, b] → C stetig und G : [a, b] → C eine differenzierbare Funktion mitG′ = g, so gilt ∫ b

a

g(t) dt = G(b)−G(a).

Man beweist diese Behauptungen leicht durch getrennte Betrachtung vonReal- und Imaginärteil. Auch die Substitutionsregel hat eine Verallgemeine-rung. Eine Funktion g : [a, b] → C heißt stückweise stetig differenzierbar,wenn g stetig ist und es eine Zerlegung a = t0 < t1 < . . . < tk = b von [a,b]gibt, so dass g|[tj−1,tj ] stetig differenzierbar ist für j = 1, . . . , k (d.h. Real-und Imaginärteil sind in [tj−1, tj] differenzierbar und g

′ ist dort stetig).

Substitutionsregel: Ist ϕ eine reelle, monotone, stückweise stetig differen-zierbare Funktion, ϕ : [a, b] → [c, d], und ist h : [c, d] → C stückweise stetig,so gilt ∫ b

a

h(ϕ(s))ϕ′(s) ds =

∫ dc

h(t) dt.


Lemma 3.1 Es sei g : [a, b]→ C stückweise stetig. Dann ist∣∣∣∣∫ ba

g(t) dt

∣∣∣∣ ≤ ∫ ba

|g(t)| dt.

Bemerkung 3.1 Links steht der Betrag einer komplexen Zahl, rechts dasIntegral einer nicht negativen reellwertigen Funktion. Daher ist die Behaup-tung nicht restlos trivial.

Beweis. Wegen der Dreiecksungleichung für den Betrag reicht es, die Behaup-tung für eine stetige Funktion g : [a, b]→ C zu beweisen.

Nach Analysis I kann das Integral einer stetigen Funktion beliebig genaudurch Riemannsche Summen approximiert werden:

n−1∑j=0

g(ξj)(tj+1 − tj),

a = t0 < t1 < . . . < tn = b Zerlegung von [a, b], tj ≤ ξj < tj+1 Zwi-schenstellen. Durchläuft nun die Zerlegung t0 < . . . < tn eine ausgezeichneteZerlegungsfolge, deren Feinheit (:= max |tj+1 − tj|) gegen 0 konvergiert, sokonvergiert jede Folge zugehöriger Riemannscher Summen gegen das Integralder Funktion. Das gilt natürlich auch, wenn die Funktion komplexe Werteannimmt.

Aus der Dreiecksungleichung für den Betrag komplexer Zahlen folgt nun∣∣∣∣∣n−1∑j=0

g(ξj)(tj+1 − tj)

∣∣∣∣∣ ≤n−1∑j=0

|g(ξj)|(tj+1 − tj).

Hieraus folgt die Behauptung des Lemmas. 2

Es sei nun wieder U offen in C, f : U → C eine Funktion. Es soll jetzt dasIntegral von f über eine Kurve (oder einen Weg) definiert werden. Im Fol-genden bezeichnen wir mit Weg (oder Kurve) immer einen stückweise stetigdifferenzierbaren Weg γ : [a, b] → C, d.h. eine stückweise stetig differenzier-bare Abbildung γ : [a, b]→ C. Ein Weg in U ist ein Weg γ : [a, b]→ U .

Definition Es sei U ⊂ C offen, f : U → C eine stetige Funktion undγ : [a, b]→ U ein Weg in U . Man setzt:∫

γ

f(z) dz :=

∫ ba

f(γ(t)) · γ′(t) dt.


Der Integrand des rechten Integrals ist eine stückweise stetige Funktionauf [a, b], da γ stückweise stetig differenzierbar ist. Das rechte Integral istalso wohldefiniert.

Die Funktion f interessiert in diesem Integral nur auf dem Bild von γ.Aber bei der Definition des Integrals kommt es sehr wohl auf die Parametri-sierung des Weges an und nicht bloß auf die Bildmenge γ([a, b]). Wir wer-den später zeigen, in welchem Sinne das Integral von der Parametrisierungabhängt.

Man beachte: Ausgegangen sind wir von einer komplexwertigen Funktioneiner reellen Variablen. Wir haben nun das Kurvenintegral einer komplex-wertigen Funktion einer komplexen Variablen erklärt!

Nun spalten wir f : U → C in Real- und Imaginärteil auf:

f(z) = u(z) + iv(z).

Außerdem schreiben wir z = x+ iy, x, y ∈ R. Dann ist

γ(t) = x(t) + iy(t),

γ′(t) = x′(t) + iy′(t).

Durch Einsetzen erhalten wir∫γ

f(z) dz =

∫ ba

(u(x(t), y(t)) · x′(t)− v(x(t), y(t)) · y′(t)) dt

+ i

∫ ba

(u(x(t), y(t)) · y′(t) + v(x(t), y(t)) · x′(t)) dt.

Wir stellen nun Eigenschaften des Kurvenintegrals zusammen. Aus derLinearität des gewöhnlichen Integrals ergibt sich die Linearität des Kurven-integrals ∫

γ

(λ1f1(z) + λ2f2(z)) dz = λ1

∫γ

f1(z) dz + λ2

∫γ

f2(z) dz.

Aus Lemma 3.1 erhalten wir die folgende Standardabschätzung:

Satz 3.1 Es sei γ : [a, b] → U ein Weg der Länge L(γ), f : U → C einestetige Funktion. Dann gilt∣∣∣∣∫

γ

f(z) dz

∣∣∣∣ ≤ L(γ) · maxz∈γ([a,b]) |f(z)|.


Beweis. Nach Lemma 3.1 gilt∣∣∣∣∫γ

f(z) dz

∣∣∣∣ = ∣∣∣∣∫γ

f(γ(t))γ′(t) dt

∣∣∣∣ ≤ ∫ ba

|f(γ(t))γ′(t)| dt.

Ist M das Maximum von f auf γ([a, b]), so gilt

|f(γ(t))γ′(t)| ≤M |γ′(t)|,

und wir erhalten weiter∫ ba

|f(γ(t))γ′(t)| dt ≤ M∫ ba

|γ′(t)| dt

= M · L(γ) (Analysis II, Satz 4.3).

2

Wir untersuchen nun das Verhalten unter Parametertransformationen.Es sei [ã, b̃] ein weiteres Intervall und ϕ : [ã, b̃] → [a, b] eine bijektive

Abbildung mit ϕ(ã) = a, ϕ(̃b) = b, und es seien ϕ und ϕ−1 stetig differen-zierbar. Eine solche Abbildung ϕ nennt man auch eine orientierungstreueParametertransformation.

Satz 3.2 (Verhalten bei Parameterwechsel A) Es sei γ : [a, b] → Uein Weg in U und ϕ : [ã, b̃]→ [a, b] eine orientierungstreue Parametertrans-formation. Dann gilt: ∫

γ◦ϕf(z) dz =

∫γ

f(z) dz.

Beweis. Dies folgt aus der Substitutionsregel: Setze γ̃ = γ ◦ ϕ. Damit gilt∫γ̃

f(z) dz =

∫ b̃ã

f(γ̃(t))γ̃′(t) dt

=

∫ b̃ã

f((γ ◦ ϕ)(t))(γ ◦ ϕ)′(t) dt

=

∫ b̃ã

f(γ(ϕ(t)))γ′(ϕ(t)) · ϕ′(t) dt (Kettenregel)

=

∫ ba

f(γ(τ))γ′(τ) dτ (Substitution τ = ϕ(t))

=

∫γ

f(z) dz.

2

Ebenso beweist man:


Satz 3.3 (Verhalten bei Parameterwechsel B) Ist ψ : [ã, b̃]→ [a, b] ei-ne bijektive Abbildung mit ψ(ã) = b, ψ(̃b) = a, und ψ, ψ−1 sind stetig diffe-renzierbar, so gilt ∫

γ◦ψf(z) dz = −

∫γ

f(z) dz.

Wege kann man zusammensetzen: Sind γ1 : [a, b]→ C und γ2 : [c, d]→ Czwei Wege derart, dass der Endpunkt γ1(b) von γ1 mit dem Anfangspunktγ2(c) von γ2 übereinstimmt, so erklärt man den aus γ1 und γ2 zusammenge-setzten Weg γ1γ2 durch

γ1γ2 : [a, b+ (d− c)] −→ C

t 7−→{

γ1(t) für t ∈ [a, b],γ2(t+ c− b) für t ∈ [b, b+ d− c].

Analog kann man n Wege γ1, γ2, . . . , γn zusammensetzen, falls für k =1, . . . , n − 1 der Endpunkt von γk mit dem Anfangspunkt von γk+1 zusam-menfällt. Ohne (den einfachen) Beweis notieren wir:

Satz 3.4 Es sei U ⊂ C offen, und γ1, . . . , γn Wege in U , die sich zu einemWeg γ zusammensetzen. Dann gilt für jede stetige Funktion f : U → C∫

γ

f(z) dz =

∫γ1

f(z) dz + . . .+

∫γn

f(z) dz.

Wir betrachten nun Stammfunktionen zu holomorphen Funktionen.

Definition Es sei U ⊂ C offen und f : U → C eine stetige Funktion. EineFunktion F : U → C heißt Stammfunktion von f , wenn F holomorph ist undF ′ = f gilt.

Kennt man eine Stammfunktion von f , so kann man Kurvenintegrale überf leicht berechnen:

Satz 3.5 Es sei f : U → C eine stetige Funktion, die eine StammfunktionF besitzt, γ : [a, b]→ U ein Weg in U mit γ(a) = z0, γ(b) = z1. Dann ist∫

γ

f(z) dz = F (z1)− F (z0).

(Das Kurvenintegral hängt also in diesem Fall nur von Anfangs- und End-punkt des Integrationsweges ab, nicht von seinem sonstigen Verlauf.)


Beweis. Es sei a = t0 < t1 < . . . < tn = b eine Zerlegung von [a, b] derart,dass γ|[tj−1,tj ] stetig differenzierbar ist (j = 1, . . . , n). Dann gilt∫

γ

f(z) dz =

∫ ba

f(γ(t)) · γ′(t) dt

=n∑j=1

∫ tjtj−1

f(γ(t)) · γ′(t) dt

=n∑j=1

∫ tjtj−1

F ′(γ(t)) · γ′(t) dt

=n∑j=1

∫ tjtj−1

(F ◦ γ)′(t) dt

=n∑j=1

((F ◦ γ)(tj)− (F ◦ γ)(tj−1)) = F (z1)− F (z0).

Im letzten Schritt haben wir dabei den Hauptsatz der Differential- und Inte-gralrechnung benutzt. 2

Korollar 3.1 Es sei f : U → C eine stetige Funktion, die eine Stammfunk-tion besitzt. Dann gilt für jeden geschlossenen Weg γ in U∫

γ

f(z) dz = 0.

Beispiel 3.1 Ein Polynom über C,

f(z) =n∑j=0

ajzj, aj ∈ C, j = 0, . . . , n,

hat die Stammfunktion

F (z) =n∑j=0

1

j + 1ajz

j+1.

Für jeden geschlossenen Weg γ in U = C ist also∫γ

f(z) dz = 0.


Beispiel 3.2 Anders ist es bei rationalen Funktionen:

f(z) =1

z

hat in U = C \ {0} keine Stammfunktion: Es sei γ : [0, 2π] → C \ {0},t 7→ eit = cos t+ i sin t. Dann gilt∫

γ

dz

z=

∫ 2π0

ieit

eitdt = 2πi 6= 0.

Wir setzen nun voraus, dass der Definitionsbereich U von f offen undwegzusammenhängend ist.

Definition Eine Menge G ⊂ R2 heißt wegzusammenhängend, wenn sich jezwei Punkte aus G durch einen Weg in G verbinden lassen. Eine offene undwegzusammenhängende Menge nennt man auch ein Gebiet.

In Umkehrung des Korollars haben wir:

Satz 3.6 Es sei G ⊂ C ein Gebiet, f : G → C eine stetige Funktion. Giltfür jeden geschlossenen Weg γ in G∫

γ

f(z) dz = 0,

so hat f auf G eine Stammfunktion.

Beweis. Es sei a ein fester Punkt von G. Zu jedem z ∈ G wählen wir einenWeg γz : [0, 1]→ G in G von a nach z und setzen

F (z) :=

∫γz

f(ζ) dζ.

a) Wir zeigen, dass die Definition dieser Funktion nicht von der Wahl vonγz abhängt. Ist nämlich γ̃z : [0, 1]→ G ein anderer Weg von a nach z,

γ̃−1z : [0, 1] −→ Gt 7−→ γz(1− t)

,

so ist γzγ̃−1z geschlossen, also∫

γz

f(ζ) dζ −∫γ̃z

f(ζ) dζ =

∫γz γ̃−1z

f(ζ) dζ = 0.


b) Wir zeigen, dass F eine Stammfunktion von f ist, d.h. dass F ′(z0) =f(z0) für beliebiges z0 ∈ G gilt.

Ist z ein hinreichend nahe bei z0 gelegener Punkt, so ist die Verbindungs-strecke

[z0, z] : [0, 1] −→ Ct 7−→ tz + (1− t)z0

von z0 und z ganz in G enthalten, und γ = γz0 [z0, z]γ−1z (γ

−1z der in umge-

kehrter Richtung durchlaufene Weg wie oben) ist ein geschlossener Weg inG. Nach Voraussetzung gilt

0 =

∫γ

f(ζ) dζ =

∫γz0

f(ζ) dζ +

∫[z0,z]

f(ζ) dζ −∫γz

f(ζ) dζ.

Daher ist

F (z)− F (z0) =∫γz

f(ζ) dζ −∫γz0

f(ζ) dζ

=

∫[z0,z]

f(ζ) dζ

=

∫ 10

f(z0 + t(z − z0))(z − z0) dt

= (z − z0)∆(z)

mit

∆(z) :=

∫ 10

f(z0 + t(z − z0)) dt.

Es ist ∆(z0) = f(z0). Noch zu zeigen: ∆ ist stetig in z0. Dies folgt aus

|∆(z)−∆(z0)| ≤ max0≤t≤1

|f(z0 + t(z − z0))− f(z0)|

und der Stetigkeit von f . 2

Wir beschäftigen uns nun weiter mit dem obigen Beispiel 3.2.Es sei γ ein geschlossener Weg in C\{0}, γ : [0, 1]→ C\{0}, γ(0) = γ(1).

Satz 3.7 (Umlaufszahl) Für jeden geschlossenen Weg γ in C \ {0} ist

1

2πi

∫γ

dz

z

eine ganze Zahl.


Beweis. Da wir vom Logarithmus einer komplexen Zahl noch nichts wissen,behelfen wir uns so:

Es gilt nach Definition ∫γ

dz

z=

∫ 10

γ′(τ)

γ(τ)dτ.

Wir betrachten die Funktion

h(t) :=

∫ t0

γ′(τ)

γ(τ)dτ.

Zu zeigen: h(1) ist ein ganzzahliges Vielfaches von 2πi, d.h. h(1) ∈ 2πiZ.Würden wir den Logarithmus einer komplexen Zahl kennen, so müsste

gelten

h′(t) =γ′(τ)

γ(τ)= (log γ(t))′,

alsoeh(t) = γ(t), d.h. 1 = e−h(t)γ(t).

Deswegen betrachten wir die Funktion e−h(t)γ(t). Es gilt

(e−h(t)γ(t))′ = −h′(t)e−h(t)γ(t) + e−h(t)γ′(t)

= −γ′(t)

γ(t)e−h(t)γ(t) + e−h(t)γ′(t)

≡ 0.

Also iste−h(t)γ(t) = konst. = e−h(0)γ(0) = γ(0) = γ(1),

da γ geschlossen. Andererseits ist

e−h(t)γ(t) = e−h(1)γ(1) = γ(1).

Daraus folgteh(1) = 1.

Wir haben aber bereits in §1 bemerkt, dass die einzigen Lösungen w ∈ C derGleichung ew = 1 die Zahlen w = 2πik, k ∈ Z, sind. 2

Definition Für jeden geschlossenen Weg γ in C \ {0} nennt man die ganzeZahl

Uml(γ, 0) :=1

2πi

∫γ

dz

z


die Umlaufszahl des Weges γ um 0.Allgemeiner sei a ∈ C und γ ein geschlossener Weg in C\{a}. Dann heißt

die ganze Zahl

Uml(γ, a) :=1

2πi

∫γ

dz

z − adie Umlaufszahl des Weges γ um a.

Bemerkung 3.2 Satz 3.7 ergibt sich auch aus der folgenden Plausibilitäts-betrachtung (vgl. Analysis III).

Schreiben wir z = reiϕ in Polarkoordinaten, so erhalten wir für das Dif-ferential

dz

z=

dreiϕ + ireiϕdϕ

reiϕ

=dr

r+ idϕ.

Man kann ϕ als wohldefinierte Funktion in C \ R+ erklären, indem manϕ ∈ (0, 2π) wählt. Dann hat dz

zin C \ R+ eine Stammfunktion, nämlich

F (z) = ln r + ϕ.

Das Integral ∫γ

dz

z

misst also unter anderem die Änderung des Winkels ϕ, wenn man den Weg γdurchläuft. Läuft der Weg z.B. einmal um 0 herum, so werden die

”Winkel-

elemente dϕ“ aufsummiert, bis man am Ausgangspunkt bei 2π angekommenist.

Wir wollen noch eine Folgerung aus Satz 3.7 notieren. Es sei U ⊂ C offenund g : U → N eine Funktion mit Wertebereich in einer Menge N . DieFunktion g heißt lokal konstant, wenn jeder Punkt z ∈ U eine Umgebungbesitzt, auf der g konstant ist.

Satz 3.8 Es sei γ : [0, 1] → C ein geschlossener Weg. Dann ist Uml(γ, a)eine lokal konstante Funktion von a, wenn a im Komplement des Bildes vonγ variiert.

Beweis. Die auf dem Komplement des Bildes von γ definierte Funktion a 7→Uml(γ, a) ist stetig, da der Integrand von∫

γ

dz

z − a

4 Der Cauchysche Integralsatz 28

stetig ist. Da sie nach Satz 3.7 nur ganzzahlige Werte annimmt, muss siedaher lokal konstant sein. 2

4 Der Cauchysche Integralsatz

Der folgende Satz mit seinen Konsequenzen ist grundlegend für die gesamteFunktionentheorie.

Satz 4.1 (Satz von Goursat) Es sei G ⊂ C ein Gebiet, f : G → C eineholomorphe Funktion und R ein Rechteck, das ganz in G liegt. Dann gilt∫

∂R

f(z) dz = 0.

Wir geben zunächst einen falschen Beweis mit Analysis III:∫∂R

f(z) dz =

∫∂R

(udx− vdy) + i∫∂R

(vdx+ udy).

Der Satz von Stokes für das Rechteck, den wir in Analysis III bewiesen haben,lautet nun ∫

∂R

(αdx+ βdy) =

∫R

(∂β

∂x− ∂α∂y

)dxdy.

Wenden wir diesen Satz an, so folgt∫∂R

f(z) dz =

∫R

(−∂v∂x− ∂u∂y

)dxdy + i

∫R

(∂u

∂x− ∂v∂y

)dxdy.

Aus den Cauchy-Riemannschen Differentialgleichungen folgt damit∫∂R

f(z) dz = 0.

Was ist daran falsch?Wir wissen überhaupt noch nicht, ob die Integranden überhaupt inte-

grierbar sind, ob beispielsweise ux, uy, vx, vy stetig sind.Dieses Problem hatten auch die Schöpfer der Funktionentheorie Gauß

(1811), Cauchy (1825) und Weierstraß (1842). Sie setzten deshalb auch stetszusätzlich die Stetigkeit von ux und uy (und damit auch von vx und vy)voraus. Erst Goursat gab 1900 einen Beweis, der ohne diese Voraussetzungauskommt. Diesen Beweis wollen wir nun geben.

Beweis von Satz 4.1. Wir teilen das vorgegebene Rechteck R in 4 kongruenteTeilrechtecke R11, . . . , R

41. Der Rand jedes Rechtecks wird zum Weg in C,

wenn wir ihn gegen den Uhrzeigersinn durchlaufen.


Dann ist ∫∂R

f(z) dz =4∑l=1

∫∂Rl1

f(z) dz,

denn die Wegintegrale über gemeinsame Randstücke der Rechtecke Rl1 hebensich gegenseitig weg, da diese gegenläufig orientiert sind.

Insbesondere gilt also die Abschätzung∣∣∣∣∫∂R

f(z) dz

∣∣∣∣ ≤ 4∑l=1

∣∣∣∣∣∫∂Rl1

f(z) dz

∣∣∣∣∣ ≤ 4 maxl∣∣∣∣∣∫∂Rl1

f(z) dz

∣∣∣∣∣ .Unter den Rechtecken Rl1 wählen wir eines aus, für das∣∣∣∣∣

∫∂Rl1

f(z) dz

∣∣∣∣∣maximal ist; wir nennen es R1. Dann ist also∣∣∣∣∫

∂R

f(z) dz

∣∣∣∣ ≤ 4 ∣∣∣∣∫∂R1

f(z) dz

∣∣∣∣ .Auf R1 wenden wir nun die gleiche Konstruktion an; wir erhalten so einRechteck R2 mit ∣∣∣∣∫

∂R1

f(z) dz

∣∣∣∣ ≤ 4 ∣∣∣∣∫∂R2

f(z) dz

∣∣∣∣ .In dieser Weise fortfahrend erhalten wir eine Folge von Rechtecken

R = R0 ⊃ R1 ⊃ R2 ⊃ . . . ⊃ Rk ⊃ . . .

mit den Eigenschaften∣∣∣∣∫∂R

f(z) dz

∣∣∣∣ ≤ 4k ∣∣∣∣∫∂Rk

f(z) dz

∣∣∣∣ ,L(∂Rk) =

1

2L(∂Rk−1) = . . . = 2

−kL(∂R).

Die Rechtecke bilden nun eine Intervallschachtelung. Genauer: Ist

Rk = [ak, bk]× [ck, dk],

so bilden die Intervallränder Intervallschachtelungen

ak ≤ ak+1 ≤ . . . ≤ bk+1 ≤ bk,ck ≤ ck+1 ≤ . . . ≤ dk+1 ≤ dk,


und es existieren

limk→∞

ak = limk→∞

bk =: x0,

limk→∞

ck = limk→∞

dk =: y0.

Wir setzenz0 := x0 + iy0.

Nach Voraussetzung ist f in z0 komplex differenzierbar. Wir können daher

f(z) = f(z0) + f′(z0)(z − z0) + r(z)(z − z0)

mit einer in z0 stetigen Funktion r mit r(z0) = 0 schreiben.Die Funktion f(z0) + f

′(z0)(z− z0) ist ein lineares Polynom in z und hatdaher eine Stammfunktion. Nach Korollar 3.1 ist daher∫

∂Rk

(f(z0) + f′(z0)(z − z0)) dz = 0.

Wir erhalten also∣∣∣∣∫∂Rk

f(z) dz

∣∣∣∣ = ∣∣∣∣∫∂Rk

(f(z0) + f′(z0)(z − z0)) dz +

∫∂Rk

r(z)(z − z0) dz∣∣∣∣

=

∣∣∣∣∫∂Rk

r(z)(z − z0) dz∣∣∣∣

≤ L(∂Rk) · maxz∈∂Rk

(|z − z0||r(z)|)

≤ (L(∂Rk))2 · maxz∈∂Rk

|r(z)|.

Es folgt also ∣∣∣∣∫∂R

f(z) dz

∣∣∣∣ ≤ 4k (L(∂R))24k · maxz∈∂Rk |r(z)|= (L(∂R))2 · max

z∈∂Rk|r(z)|.

Wegen limz→z0 r(z) = 0 gibt es nun für jedes ε > 0 eine Umgebung U vonz0, so dass für alle z ∈ U gilt: |r(z)| ≤ ε. Da die Seiten der Rechtecke Rkeine Intervallschachtelung bilden, kann man einen Index k0 finden, so dassfür alle k ≥ k0 das Rechteck Rk ganz in U liegt. Daraus folgt∣∣∣∣∫

∂R

f(z) dz

∣∣∣∣ ≤ (L(∂R))2 · ε.


Also kann das Integral nur verschwinden. 2

Wir wollen den Satz von Goursat nun verallgemeinern und zeigen, dassman auf die Holomorphie in endlich vielen Punkten verzichten kann.

Dazu sei G ein Gebiet in C, ζ1, . . . , ζn ∈ G und

f : G \ {ζ1, . . . , ζn} → C.

Wir setzen voraus, dass für alle j = 1, . . . , n gilt

limz→ζj

(z − ζj)f(z) = 0.

Dies gilt zum Beispiel für beschränkte Funktionen f . Man nennt einen sol-chen Ausnahmepunkt, für den die obige Bedingung gilt, auch eine hebbareSingularität, da der Riemannsche Hebbarkeitssatz, den wir später zeigen wer-den, besagt, dass eine holomorphe Funktion f in solche Punkte holomorphfortsetzbar ist, d.h. diese Ausnahmepunkte sind in Wirklichkeit gar keine.Diesen Satz wollen wir jetzt aber nicht benutzen.

Es gilt die folgende Verallgemeinerung des Satzes von Goursat.

Satz 4.2 Es sei R ⊂ G ein Rechteck im Gebiet G, ζ1, . . . , ζn ∈◦R, f : G \

{ζ1, . . . , ζn} → C sei holomorph und es gelte

limz→ζj

(z − ζj)f(z) = 0

für alle j. Dann ist ∫∂R

f(z) dz = 0.

Beweis. Es genügt, die Behauptung nur für einen Ausnahmepunkt ζ zu zei-gen, denn das Rechteck R lässt sich so in kleinere Rechtecke zerlegen, dassjedes ζj im offenen Kern eines solchen Teilrechtecks liegt.

Außerdem können wir annehmen, dass der Ausnahmepunkt ζ der Mittel-punkt eines Quadrates R0 ist.

Wegenlimz→ζ

(z − ζ)f(z) = 0

kann man zu ε > 0 eine Umgebung U von ζ finden, so dass für alle z ∈ Ugilt

|f(z)| ≤ ε|z − ζ|

.


O.B.d.A. kann man weiter annehmen, dass das Quadrat R0 ganz in Uliegt: Es lässt sich nämlich zeigen, dass, wenn man ein Quadrat R1 mit Mit-telpunkt ζ in neun gleich große Teilquadrate einteilt, wobei das mittlere R2sei, gilt: ∫

∂R1

f(z) dz =

∫∂R2

f(z) dz.

Also kann folgendermaßen abgeschätzt werden:∣∣∣∣∫∂R0

f(z) dz

∣∣∣∣ ≤ ε ∫∂R0

dz

|z − ζ|≤ εL(∂R0) max

z∈∂R0

1

|z − ζ|.

Es sei z0 ∈ ∂R0 ein Punkt minimalen Abstands zu ζ. Dann gilt1

|z − ζ|≤ 1|z0 − ζ|

und L(∂R0) = 8|z0 − ζ|.

Wir erhalten also ∣∣∣∣∫∂R0

f(z) dz

∣∣∣∣ ≤ 8ε.Da ε > 0 beliebig war, ist der Satz damit bewiesen. 2

Es ist nicht wahr, dass das Integral einer holomorphen Funktion über einegeschlossene Kurve immer verschwindet. Wir haben z.B. gesehen, dass∫

S1

dz

z= 2πi.

Um sicher zu gehen, dass das Integral immer verschwindet, muss man ge-eignete Voraussetzungen an das Gebiet G, auf dem f holomorph ist und indem γ liegt, stellen. Wir betrachten zunächst einen ganz speziellen Fall: fsei holomorph auf einer Kreisscheibe ∆, ∆ = {z | |z − ξ0| < ρ}, ρ ≤ ∞.

Satz 4.3 (Cauchyscher Integralsatz) Es sei ∆ eine (offene) Kreisschei-be, f : ∆→ C eine holomorphe Funktion. Dann gilt für jeden geschlossenenWeg γ in ∆ ∫

γ

f(z) dz = 0.

Beweis. Wir beweisen Satz 4.3, indem wir eine Stammfunktion von f ange-ben:

E sei a = xa+ iya der Mittelpunkt von ∆ und γz der Weg zu z = x+ iy ∈∆, den man erhält, indem man erst horizontal zum Punkt x+ iya und dannvertikal zu z läuft (Skizze!). Wir setzen

F (z) :=

∫γz

f(ζ) dζ.


Es sei z0 = x0 + iy0 und h ∈ R so gewählt, dass das Rechteck R mit denEckpunkten

x0 + iya, x0 + h+ iya, z := x0 + h+ iy0, z0

ganz in ∆ enthalten ist. Dann gilt nach Satz 4.1∫γz0

f(ζ) dζ +

∫[z0,z]

f(ζ) dζ −∫γz

f(ζ) dζ =

∫∂R

f(ζ) dζ = 0.

Aus dieser Gleichung folgt wie im Beweis von Satz 3.6, dass

∂F

∂x(z0) = f(z0).

Nach dem bereits zitierten Satz 3.1 gilt ebenfalls

F (z) =

∫γz

f(ζ) dζ =

∫σz

f(ζ) dζ,

wobei σz der Weg ist, der von a zunächst vertikal zum Punkt xa+iy und dannhorizontal zum Punkt z verläuft. Betrachten wir nun Punkte z0, z = z0 + ih,h ∈ R genügend klein, so folgt wie oben

∂F

∂y(z0) = if(z0).

Also erfüllen die partiellen Ableitungen von F = P + iQ die Cauchy-Rie-mannschen Differentialgleichungen, F ist also holomorph und es gilt F ′ = f .Die Funktion F ist also eine Stammfunktion von f . Satz 4.3 folgt damit ausKorollar 3.1. 2

Verallgemeinerung:

Satz 4.4 Es sei ∆ eine offene Kreisscheibe wie oben, ζ1, . . . , ζn ∈ ∆, f :∆ \ {ζ1, . . . , ζn} → C sei holomorph und es gelte

limz→ζj

(z − ζj)f(z) = 0

für alle j. Dann gilt ∫γ

f(z) dz = 0

für jeden geschlossenen Weg γ in ∆ \ {ζ1, . . . , ζn}.


Beweis. als Übung. 2

Aus dem Cauchyschen Integralsatz mit Ausnahmepunkten erhalten wireine für den ganzen weiteren Aufbau der Funktionentheorie fundamentaleAussage:

Satz 4.5 (Cauchysche Integralformel) Es sei ∆ = {z ∈ C | |z − z0| <ρ} eine offene Kreisscheibe, f : ∆ → C eine holomorphe Funktion, γ eingeschlossener Weg in ∆. Dann gilt für jeden Punkt a ∈ ∆, der nicht auf demBild von γ liegt,

f(a) · Uml(γ, a) = 12πi

∫γ

f(z)

z − adz.

Dieser Satz besagt Folgendes: Eine holomorphe Funktion f hat eine ArtFernwirkung. Der Wert von f an der Stelle a lässt sich berechnen, wenn man anur mit einem Weg γ umschließt (mit Uml(γ, a) 6= 0) und die Funktionswertevon f nur auf diesem Weg bekannt sind. Ist z.B. γ eine Kreislinie in ∆, so sindbei einer holomorphen Funktion f alle Werte von f innerhalb der Kreisliniedurch die Werte von f auf der Kreislinie bestimmt.

Für eine reelle C∞-Funktion stimmt das natürlich nicht: Selbst wenn de-ren Werte auf der Kreislinie vorgeschrieben sind, kann sie innerhalb der Kreis-linie noch (fast) beliebig verbeult werden, ohne dass sich an den Randwertenetwas ändert.

Beweis von Satz 4.5. Satz 4.5 folgt unmittelbar aus Satz 4.4: Wir wendenSatz 4.4 auf die Funktion

g(z) :=f(z)− f(a)

z − aan. Diese Funktion ist holomorph für z 6= a. Für z = a ist sie nicht definiert,aber es gilt

limz→a

g(z)(z − a) = limz→a

(f(z)− f(a)) = 0,

also ist die Bedingung von Satz 4.4 erfüllt. Es folgt

0 =

∫γ

g(z) dz = f(a)

∫γ

dz

z − a−∫γ

f(z)

z − adz.

Damit folgt die Behauptung aus der Definition der Umlaufszahl. 2

Wir wollen nun Anwendungen der Cauchyschen Integralformel betrach-ten. Zunächst behandeln wir höhere Ableitungen. Wir wollen die CauchyscheIntegralformel

Uml(γ, z) · f(z) = 12πi

∫γ

f(ζ)

ζ − zdζ


nach z differenzieren. Wenn man das Integral unter dem Integralzeichen dif-ferenzieren kann, so erhält man, da die Umlaufszahl konstant ist,

Uml(γ, z) · f ′(z) = 12πi

∫γ

f(ζ)

(ζ − z)2dζ.

Durch Iteration erhält man daraus

Uml(γ, z) · f (n)(z) = n!2πi

∫γ

f(ζ)

(ζ − z)n+1dζ.

Die Rechtfertigung für dieses Vorgehen kommt aus einem allgemeinen Satzüber parameterabhängige Kurvenintegrale, den wir nun beweisen wollen. Da-zu benötigen wir ein Lemma.

Lemma 4.1 Es sei γ : [a, b]→ C ein Weg und (fν) eine Folge stetiger Funk-tionen fν : γ([a, b])→ C, die gleichmäßig gegen eine Funktion f : γ([a, b])→C konvergiert. Dann gilt

limν→∞

∫γ

fν(z) dz =

∫γ

f(z) dz.

Beweis. Es ist∣∣∣∣∫γ

fν(z) dz −∫γ

f(z) dz

∣∣∣∣ = ∣∣∣∣∫γ

(fν(z)− f(z)) dz∣∣∣∣

≤ L(γ) · maxz∈γ([a,b])

|fν(z)− f(z)|.

Wegen der gleichmäßigen Konvergenz gilt aber

limν→∞

(max

z∈γ([a,b])|fν(z)− f(z)|

)= 0.

2

Satz 4.6 (Parameterabhängige Kurvenintegrale) Es sei γ : [a, b]→ Cein Weg, M ⊂ C offen und f : γ([a, b])×M → C eine stetige Funktion.

(i) Dann ist die Funktion

F (z) :=

∫γ

f(ζ, z) dζ

stetig auf M .


(ii) Ist f(ζ, z) für jedes ζ ∈ γ([a, b]) nach z komplex differenzierbar mit aufγ([a, b])×M stetiger Ableitung fz(ζ, z), so ist F (z) holomorph auf Mund es gilt

F ′(z) =

∫γ

fz(ζ, z) dζ.

Beweis.Zu (i): Wir müssen zeigen: Ist z0 ∈ M und (zν)ν=1,2,... eine Folge aus M

mit limν→∞ zν = z0, so gilt limν→∞ F (zν) = F (z0).Es sei z0 ∈M und (zν) eine solche Folge. Wir setzen

fν(ζ) = f(ζ, zν), ζ ∈ γ([a, b]).

Dann ist (fν) eine Folge stetiger Funktionen, die wegen der Stetigkeit vonf und der Kompaktheit von γ([a, b]) gleichmäßig gegen die Funktion f0 mitf0(ζ) = f(ζ, z0) konvergiert. Aus Lemma 4.1 folgt

limν→∞

F (zν) = limν→∞

∫γ

fν(ζ) dζ =

∫γ

f0(ζ) dζ = F (z0).

Zu (ii): Es sei z0 ∈ M und (zν) eine Folge aus M mit zν 6= z0 fürν = 1, 2, . . . und limν→∞ zν = z0. Wir nehmen an, dass alle zν in einerabgeschlossenen Kreisscheibe ∆ um z0 enthalten sind. Wegen der Linearitätdes Integrals gilt dann:

F (zν)− F (z0)zν − z0

=

∫γ

f(ζ, zν)− f(ζ, z0)zν − z0

dζ.

Wir setzen

f̃ν(ζ) =f(ζ, zν)− f(ζ, z0)

zν − z0.

Dann ist (f̃ν) nach Voraussetzung eine Folge stetiger Funktionen auf γ([a, b]),die gleichmäßig gegen die Funktion ζ 7→ fz(ζ, z0) konvergiert. Nach Lem-ma 4.1 gilt: F ist holomorph und

F ′(z0) = limν→∞

∫γ

f̃ν(ζ) dζ =

∫γ

fz(ζ, z0) dζ.

2

Man beachte, dass der Beweis analog zum Beweis der entsprechendenSätze der reellen Integrationstheorie verlief, die wir in Analysis III bewiesenhaben.


Da in der Cauchyschen Integralformel der Integrand

f(ζ)

ζ − z

nach dem Parameter z stetig komplex differenzierbar ist, können wir Satz 4.6anwenden und sehen so, dass die obige Rechnung gerechtfertigt ist. Wir er-halten damit:

Satz 4.7 (Cauchysche Integralformel für die höheren Ableitungen)Es sei ∆ wieder eine offene Kreisscheibe und f : ∆ → C holomorph. Dannist f beliebig oft komplex differenzierbar. Ist außerdem γ : [a, b] → ∆ eingeschlossener Weg und z ∈ ∆ ein Punkt, der nicht auf γ([a, b]) liegt, so giltfür alle n ∈ N

Uml(γ, z) · f (n)(z) = n!2πi

∫γ

f(ζ)

(ζ − z)n+1dζ.

Insbesondere ist f (n) wieder holomorph.

Satz 4.8 Es sei U ⊂ C offen. Jede holomorphe Funktion f : U → C istbeliebig oft komplex differenzierbar. Jede ihrer Ableitungen ist wieder holo-morph.

Beweis. Jedes z ∈ U liegt in einer offenen Kreisscheibe ∆ ⊂ U . Auf ∆ könnenwir Satz 4.7 anwenden. 2

Satz 4.8 zeigt wieder, wie stark sich reelle und komplexe Differenzier-barkeit unterscheiden: In der reellen Analysis braucht die Ableitung einerdifferenzierbaren Funktion nicht einmal stetig zu sein.

Wir wollen nun weitere Folgerungen aus diesen Sätzen notieren.

Satz 4.9 (Satz von Morera) Es sei G ⊂ C ein Gebiet und f : G → Cstetig. Gilt ∫

γ

f(z) dz = 0

für jeden geschlossenen Weg γ in G, so ist f holomorph.

Beweis. Gilt die Voraussetzung, so hat f nach Satz 3.6 eine StammfunktionF ; F ist holomorph, daher nach Satz 4.8 beliebig oft komplex differenzierbar,also ist auch f = F ′ holomorph. 2


Wir erhalten damit eine neue Charakterisierung holomorpher Funktionen:Es seiG ⊂ C ein Gebiet. Eine Funktion f : G→ C ist genau dann holomorph,wenn f stetig ist und ∫

γ

f(z) dz = 0

für jeden geschlossenen Weg γ in G gilt. Als Folgerung erhalten wir eineweitere Charakterisierung:

Definition Es sei U ⊂ C offen und f : U → C eine stetige Funktion.Wir sagen, f besitzt lokale Stammfunktionen auf U , wenn es zu jedem Punktz ∈ U eine Umgebung V ⊂ U von z gibt, so dass f |V eine Stammfunktionhat.

Satz 4.10 Es sei G ⊂ C ein Gebiet. Dann ist f : G → C genau dannholomorph, wenn f stetig ist und lokale Stammfunktionen besitzt.

Beweis.”⇒”: Es sei z ∈ G und ∆z eine ganz in G liegende Kreisscheibe mit

Mittelpunkt z. Nach dem Cauchyschen Integralsatz gilt∫γ

f(z) dz = 0

für jeden geschlossenen Weg γ in ∆z. Nach Satz 3.6 hat f in ∆z eine Stamm-funktion.

”⇐”: Es sei z ∈ G. Besitzt f in der Umgebung V von z eine Stammfunk-tion, so ist f holomorph in V (nach Satz 4.8). Zu jedem z aus G gibt es alsoeine Umgebung V von z, in der f holomorph ist. Folglich existiert für jedesz ∈ G

limh→0

f(z + h)− f(z)h

,

denn für genügend kleines |h| liegt z+ h in einer solchen Umgebung V . Alsoist f holomorph in G (Holomorphie ist eine lokale Eigenschaft). 2

Es sei nun G ein Gebiet, f : G → C eine holomorphe Funktion, z ∈ G.Es sei r ∈ R, so dass für

∆r(z) := {ζ ∈ G | |ζ − z| < r}

gilt: ∆r(z) ⊂ G. Bezeichnet nun C den Rand der Kreisscheibe ∆r(z), genauer:den Weg [0, 1] → G, t 7→ z + re2πit, so ist Uml(C, z) = 1 und wir erhaltenaus der Cauchyschen Integralformel das Korollar:


Satz 4.11 Mit diesen Bezeichnungen gilt

f (n)(z) =n!

2πi

∫C

f(ζ)

(ζ − z)n+1dζ.

Daraus erhalten wir als weitere Folgerung:

Satz 4.12 (Cauchysche Ungleichungen) Es sei f eine in einer Umge-bung der abgeschlossenen Kreisscheibe

∆r(z) = {ζ ∈ G | |ζ − z| ≤ r}

holomorphe Funktion, Mr(z) sei das Maximum von |f | auf dem Rand C von∆r(z). Dann gilt für jedes n ∈ N

|f (n)(z)| ≤ n!rnMr(z).

Beweis. Es ist nach Satz 4.11

|f (n)(z)| ≤ n!2πL(C) · Mr(z)

rn+1

und L(C) = 2πr. 2

Folglich gilt

Satz 4.13 (Satz von Liouville) Ist f : C→ C holomorph und beschränkt,so ist f konstant.

Beweis. Ist f auf der ganzen komplexen Zahlenebene holomorph, so geltendie Cauchyschen Ungleichungen für alle r. Ist f zusätzlich beschränkt, so gilt

Mr(z) ≤M = konst.

für alle r und z. Also folgt |f ′(z)| = 0, also f ′(z) = 0, also ist f konstant. 2

Definition Eine in der ganzen komplexen Zahlenebene holomorphe Funk-tion heißt ganze Funktion.

Damit kann man Satz 4.13 auch so formulieren: Jede beschränkte ganzeFunktion ist konstant.


Beispiele 4.1 Die Funktionen exp, sin und cos sind ganze Funktionen. DieExponentialfunktion exp ist in C unbeschränkt, da sie auch schon in R un-beschränkt ist. Die Funktionen sin und cos sind in R beschränkt, aber in Cunbeschränkt. Das folgt aus dem Satz von Liouville, man kann es aber auchdirekt einsehen: Für z = it, t ∈ R, ist nämlich etwa

cos z =1

2(et + e−t),

für große |t| alsocos it ≈ 1

2e|t|.

Der Satz von Liouville führt zu einem einfachen Beweis des Fundamen-talsatzes der Algebra.

Satz 4.14 (Fundamentalsatz der Algebra) Jedes Polynom

p(z) :=n∑k=0

akzk, an 6= 0,

das in C keine Nullstelle hat, ist konstant, also vom Grad 0.

Beweis. O.B.d.A. sei an = 1.Wir zeigen: Hat p(z) keine Nullstelle in C, so ist 1

p(z)holomorph in C

(klar!) und beschränkt. Nach dem Satz von Liouville folgt dann, dass 1p

unddamit auch p konstant ist.

Nun zur Beschränktheit von 1p: Es sei

M := max{1, 2n · |an−1|, . . . , 2n · |a0|}.

Da 1p

stetig ist, ist 1p

auf dem abgeschlossenen Kreis

{z ∈ C | |z| ≤M}

beschränkt. Es sei daher |z| ≥M . Dann ist

|p(z)| = |zn| ·∣∣∣1 + an−1

z+ . . .+

a0zn

∣∣∣≥ M ·

∣∣∣1 + an−1z

+ . . .+a0zn

∣∣∣≥ M ·

(1−

∣∣∣an−1z

∣∣∣− . . .− ∣∣∣a0zn

∣∣∣)≥ M

2

(da nach Voraussetzung

∣∣∣ aizn−i

∣∣∣ ≤ 12n

).

5 Potenzreihen 41

Also folgt für |z| ≥M ∣∣∣∣ 1p(z)∣∣∣∣ ≤ 2M .

2

Korollar 4.1 Jedes komplexe Polynom p(z) =∑n

k=0 akzk, an 6= 0, n ≥ 1,

zerfällt über C in n Linearfaktoren, d.h. es gibt ξ1, . . . , ξn ∈ C, so dassn∑k=0

akzk = an

n∏i=1

(z − ξi).

Die ξi sind genau die Nullstellen des Polynoms.

Beweis. Wir beweisen das Korollar durch Induktion nach dem Grad n desPolynoms.

Nach dem Euklidischen Algorithmus lässt sich für jedes ξ ∈ C das Poly-nom p(z) schreiben als

p(z) = g(z)(z − ξ) + p(ξ), (3)

wobei g(z) ein Polynom vom Grad n− 1 ist. Ist ξ1 eine Nullstellle von p(z),so gilt

p(z) = g(z)(z − ξ1).Nach Induktionsvoraussetzung gilt die Behauptung für g(z). Der Induktions-anfang n = 1 ist trivial. 2

Die verwendete Darstellung (3) lässt sich auch aus der Taylorentwicklungvon p(z) gewinnen, die wir im nächsten Abschnitt diskutieren werden.

5 Potenzreihen

In Analysis I haben wir die reelle Exponentialfunktion und die reellen tri-gonometrischen Funktionen durch Potenzreihen eingeführt. Wir werden nunPotenzreihen im Komplexen betrachten. Zunächst aber eine Wiederholungaus Analysis I:

Dort war eine Potenzreihe ein Ausdruck der Form

∞∑n=0

anxn

mit Koeffizienten an ∈ R. Fasst man x als reelle Variable auf, so hatten wirzum Konvergenzverhalten Folgendes festgestellt:

5 Potenzreihen 42

Satz 5.1 (i) Es gibt eine Zahl ρ, 0 ≤ ρ ≤ ∞,

ρ = sup{x∣∣∣x ≥ 0 und ∑ |an|xn konvergent} ,

Konvergenzradius der Reihe∑∞

n=0 anxn genannt, die folgende Eigenschaften

besitzt:

(a) Für |x| < ρ konvergiert die Reihe∑∞

n=0 anxn absolut. Auf jeder kompak-

ten Teilmenge des Intervalls (−ρ, ρ) konvergiert sie sogar gleichmäßig.

(b) Für |x| > ρ divergiert die Reihe.

(c) Am Rand des Konvergenzintervalls (−ρ, ρ) kann alles Mögliche passie-ren.

(ii) Angenommen, ρ > 0. Dann ist die Funktion f : (−ρ, ρ) → R mitf(x) =

∑∞n=0 anx

n für x ∈ (−ρ, ρ) differenzierbar (und somit auch stetig)und hat die Ableitung

f ′(x) =∞∑n=1

nanxn−1.

Die Ableitung entsteht also durch gliedweises Differenzieren der Reihe. Dieabgeleitete Reihe hat denselben Konvergenzradius wie die Reihe selbst.

Korollar 5.1 Die oben definierte Funktion f ist beliebig oft differenzierbarund es ist

f(x) =∞∑n=0

f (n)(0)

n!xn.

Wir wollen noch eine Formel zur Berechnung des Konvergenzradius ρnachtragen.

Definition Für eine Folge (bn)n∈N reeller Zahlen definieren wir den Limessuperior lim bn durch

lim bn := limn→∞

(sup{bn, bn+1, . . .}).

Satz 5.2 (Formel von Cauchy-Hadamard) Für den Konvergenzradius ρder Reihe

∑∞n=0 anx

n gilt1

ρ= lim n

√|an|.

5 Potenzreihen 43

Beweis. Die Behauptung folgt aus dem Wurzelkriterium.Satz 6.12 aus Analysis I lautete: Es sei

∑∞n=0 an eine Reihe. Gibt es ein

q, 0 ≤ q < 1, so dass für fast alle n ∈ N

n√|an| ≤ q

ist, dann ist∑∞

n=0 an absolut konvergent.Mit dem Limes superior erhalten wir folgende äquivalente Formulierung:

Wurzelkriterium Ist lim n√|an| < 1, so ist

∑∞n=0 an absolut konvergent.

Das Wurzelkriterium wurde aus dem Majorantenkriterium durch Ver-gleich mit der geometrischen Reihe abgeleitet. Wie wir bereits damals be-merkt haben, erhält man aus dem Majorantenkriterium auch ein Divergenz-kriterium und daraus den folgenden Zusatz zum Wurzelkriterium:

Zusatz Ist lim n√|an| > 1, so ist

∑∞n=0 an divergent.

Das Wurzelkriterium samt Zusatz wenden wir nun auf eine Potenzreihe

∞∑n=0

anxn, an ∈ R,

an. Es seia := lim n

√|an|.

Wegenn√|anxn| = |x| n

√|an|

folgt nun: Wenn |x| · a < 1, liegt Konvergenz, wenn |x| · a > 1 Divergenz vor.Also gilt für den Konvergenzradius

ρ =1

a=

1

lim n√|an|

.

2

Noch eine Erinnerung: Ist U ⊂ R offen, so heißt eine Funktion f : U → Rreell analytisch genau dann, wenn es zu jedem x0 ∈ U eine Umgebung V vonx0 gibt, in der sich f in eine Potenzreihe entwickeln lässt, d.h. es gibt an ∈ R,so dass für alle x ∈ V gilt:

f(x) =∞∑n=0

an(x− x0)n.

5 Potenzreihen 44

Nach Korollar 5.1 stimmt diese Potenzreihe mit der Taylorreihe von f umden Entwicklungspunkt x0 überein:

f(x) =∞∑n=0

f (n)(x0)

n!(x− x0)n.

Klassisches Beispiel für eine nicht reell analytische Funktion ist die Funktiong : R→ R mit

g(x) =

{e−

1|x| für x 6= 0,

0 für x = 0.

Ihre Taylorreihe im Nullpunkt ist∞∑n=0

0xn = 0,

denn sämtliche Ableitungen von g in 0 verschwinden. Dieses Beispiel wirftdie Frage auf, welche (wie g) unendlich oft differenzierbaren Funktionen reellanalytisch sind.

Als reell analytisch haben wir bereits kennengelernt:

exp(x) =∞∑n=0

xn

n!, ρ =∞,

sin(x) =∞∑n=0

(−1)n x2n+1

(2n+ 1)!, ρ =∞,

cos(x) =∞∑n=0

(−1)n x2n

(2n)!, ρ =∞,

ln(1 + x) =∞∑n=1

(−1)n−1xn

n, ρ = 1,

arctan(x) =∞∑n=0

(−1)n x2n+1

2n+ 1, ρ = 1 :

Obwohl arctan auf ganz R erklärt und sogar reell analytisch ist, hat dieTaylorreihe im Nullpunkt nur ein beschränktes Konvergenzintervall!

Nun wollen wir komplexe Potenzreihen betrachten. Zunächst zu Reihenkomplexer Zahlen:

Eine Reihe∑∞

n=0 bn, bn ∈ C, von komplexen Zahlen heißt konvergentgegen die komplexe Zahl b, wenn die Folge der Partialsummen

∑kn=0 bn gegen

b konvergiert. Man schreibt dann∞∑n=0

bn = b.

5 Potenzreihen 45

Eine Reihe∑∞

n=0 bn heißt absolut konvergent, wenn die reelle Reihe∑∞

n=0 |bn|der Beträge konvergiert.

Wenn∑∞

n=0 bn konvergiert, bilden die bn eine Nullfolge, sind also be-schränkt. Konvergiert die Reihe absolut, so konvergiert sie auch. In einerabsolut konvergenten Reihe kann man die Summanden umordnen, ohne dasssich der Wert der Reihe ändert.

Alle Beweise verlaufen wörtlich wie in Analysis I.Da

∑∞n=0 |bn| eine Reihe nichtnegativer reeller Zahlen ist, hat man als

Tests für absolute Konvergenz die üblichen Tests für reelle Reihen, z.B. dasQuotientenkriterium und das Wurzelkriterium.

Eine komplexe Potenzreihe ist ein Ausdruck der Form∞∑n=0

an(z − z0)n,

wobei z0 ∈ C, jedes an ∈ C und z als komplexe Variable aufzufassen ist. DerPunkt z0 heißt Entwicklungspunkt der Potenzreihe.

Wir interessieren uns natürlich für die Menge derjenigen z ∈ C, für diedie Reihe konvergiert. Für dieses Problem genügt es, den Fall z0 = 0 zubetrachten.

Lemma 5.1 Für z1 ∈ C konvergiere∑∞

n=0 anzn1 . Dann konvergiert die Po-

tenzreihe∞∑n=0

anzn

für jedes z mit |z| < |z1| absolut. Die Konvergenz ist absolut gleichmäßig aufallen kompakten Teilmengen von

∆|z1| = {z ∈ C | |z| < |z1|}.

Beweis. O.B.d.A. sei z1 6= 0.Da

∑∞n=0 anz

n1 nach Voraussetzung konvergiert, ist die Folge anz

n1 be-

schränkt. Also gibt es ein M ∈ R, so dass |anzn1 | < M für alle n. Nun ist für|z| < |z1| ∣∣∣∣ zz1

∣∣∣∣ =: r < 1,und es gilt

|anzn| =∣∣∣∣anzn1 · ( zz1

)n∣∣∣∣= |anzn1 | ·

∣∣∣∣ zz1∣∣∣∣n

≤ M · rn.

5 Potenzreihen 46

Aus dem Majorantenkriterium folgt die absolute Konvergenz von∑∞

n=0 anzn

wegen r < 1 durch Vergleich mit der geometrischen Reihe.In dieser Abschätzung taucht z überhaupt nicht mehr auf, es wurde nur∣∣∣ zz1 ∣∣∣ < 1 verwendet.Ist also r irgendeine feste Zahl< 1, so konvergiert die Potenzreihe gleichmäßig

in {z | |z| ≤ r|z1|}. Da man jede kompakte Teilmenge von ∆|z1| in eine solcheKreisscheibe einschließen kann, ist der Beweis vollständig. 2

Aus diesem Lemma folgt

Satz 5.3 Es sei∑∞

n=0 anzn eine komplexe Potenzreihe. Dann gibt es ein ρ,

0 ≤ ρ ≤ ∞, so dass gilt:

(a) Für z mit |z| < ρ konvergiert∑∞

n=0 anzn absolut, und die Konvergenz

ist absolut gleichmäßig auf kompakten Teilmengen von ∆ρ = {z | |z| <ρ}.

(b) Auf {z | |z| > ρ} divergiert die Reihe∑∞

n=0 anzn.

Definition Die Zahl ρ heißt der Konvergenzradius der Reihe∑∞

n=0 anzn.

Beweis. Es sei

ρ := sup{|z| |∞∑n=0

anzn konvergiert}.

Dieses ρ hat nach Lemma 5.2 die gewünschte Eigenschaft (a). Gäbe es einz mit |z| > ρ, für das die Reihe

∑∞n=0 anz

n konvergiert, so wäre ρ nicht dasSupremum obiger Menge, also gilt auch (b). 2

Außerdem gilt für ρ

ρ = sup{|z| |∞∑n=0

anzn konvergiert}

= sup{|z| |∞∑n=0

|an||z|n konvergiert}

Insbesondere ist dieses ρ also der Konvergenzradius der reellen Potenzreihe∑∞n=0 |an|xn. Automatisch haben wir also das

Korollar 5.2 (Formel von Cauchy-Hadamard)

ρ =1

lim n√|an|

.

5 Potenzreihen 47

Beispiel 5.1 Die geometrische Reihe∞∑n=0

zn.

Für die Partialsummen sk =∑k

n=0 zn gilt:

sk = 1 + z + . . .+ zk,

zsk = z + z2 + . . .+ zk+1,

also

sk =1− zk+1

1− z, falls z 6= 1.

Für |z| < 1 ist limk→∞ zk+1 = 0, also hat man∞∑n=0

zn =1

1− zfür |z| < 1.

Aus der Formel von Cauchy-Hadamard erhält man den Konvergenzradius

ρ = 1.

Eine konvergente Potenzreihe definiert auf ihrem Konvergenzkreis einestetige Funktion. Für die Funktionentheorie von Interesse ist nun der folgendeSatz:

Satz 5.4 Es sei∑∞

n=0 anzn eine Potenzreihe mit Konvergenzradius ρ > 0.

Dann ist die Funktion f : ∆ρ → C, z 7→∑∞

n=0 anzn, holomorph in ∆ρ; ihre

Ableitung berechnet sich durch gliedweise Differentiation:

f ′(z) =∞∑n=1

nanzn−1.

Der Konvergenzradius der abgeleiteten Reihe ist ebenfalls ρ.

Beweis.(a) Dass der Konvergenzradius der abgeleiteten Reihe ebenfalls ρ ist, folgt

aus der Formel von Cauchy-Hadamard zusammen mit dem entsprechendenTeil des Satzes vom reellen Analogon:

1

ρ= lim n

√|an| = lim n−1

√n|an|.

(b) Die Funktion fk(z) :=∑k

n=0 anzn ist ein Polynom, also holomorph.

Die Folge (fk) konvergiert punktweise gegen f . Auf kompakten Teilmengendes Konvergenzkreises ist die Konvergenz nach Satz 5.3 sogar gleichmäßig.Die Behauptung folgt also aus dem folgenden Satz. 2

5 Potenzreihen 48

Satz 5.5 (Satz von Weierstraß) Es sei (fn) eine Folge holomorpher, aufeinem Gebiet G definierter Funktionen, die punktweise und auf kompaktenTeilmengen von G sogar gleichmäßig gegen eine Funktion f : G → C kon-vergiert.

Dann ist f holomorph, und die Folge der Ableitungen (f ′n) konvergiert inG punktweise und auf kompakten Teilmengen von G gleichmäßig gegen f ′.

Beweis.(a) f ist holomorph:Jedenfalls ist f stetig, wie aus der gleichmäßigen Konvergenz folgt.Nach Satz 4.10 ist nur noch zu zeigen, dass f lokale Stammfunktionen

besitzt. Zu jedem z ∈ G gibt es aber eine Kreisscheibe ∆, die samt Randin G liegt. Dort gilt die Cauchysche Integralformel für die fn. Ist nun γ eingeschlossener Weg in ∆, so ist die Konvergenz von (fn) auf dem Bild von γgleichmäßig, also gilt ∫

γ

f(z) dz = limn→∞

∫γ

fn(z) dz = 0,

was hinreichend für die Existenz einer Stammfunktion in ∆ ist.(b) (f ′n) konvergiert punktweise gegen f

′:Es sei z ∈ G und ∆ eine Kreisscheibe um z mit ∆ ⊂ G. Aus der Cauchy-

schen Integralformel für die fn erhalten wir

f ′n(z) =1

2πi

∫∂∆

fn(ζ)

(ζ − z)2dζ.

Außerdem gilt

f ′(z) =1

2πi

∫∂∆

f(ζ)

(ζ − z)2dζ.

Da ∂∆ kompakt ist, ist auf ∂∆ die Konvergenz fn → f und somit auch dieKonvergenz

fn(ζ)

(ζ − z)2→ f(ζ)

(ζ − z)2

gleichmäßig (warum?). Daher folgt∫∂∆

f(ζ)

(ζ − z)2dζ = lim

n→∞

∫∂∆

fn(ζ)

(ζ − z)2dζ,

was zu zeigen war.(c) (f ′n) konvergiert auf kompakten Teilmengen von G sogar gleichmäßig

gegen f ′:

5 Potenzreihen 49

Da man jede kompakte Teilmenge von G mit endlich vielen kompaktenKreisscheiben überdecken kann, genügt es, die Behauptung für kompakteKreisscheiben ∆, die ganz in G liegen, zu zeigen.

Es sei also eine offene Kreisscheibe ∆ mit ∆ ⊂ G gegeben. Dann gibt eseine konzentrische offene Kreisscheibe ∆′, für die

∆ ⊂ ∆′ ⊂ ∆′ ⊂ G

gilt. Der Radius von ∆′ ist also größer als der von ∆. Die Radiendifferenz seid, also d > 0.

Für ζ ∈ ∂∆′ und z ∈ ∆ gilt also∣∣∣∣fn(ζ)− f(ζ)(ζ − z)2∣∣∣∣ ≤ maxξ∈∂∆′ |fn(ξ)− f(ξ)|d2 =: Kn.

Deshalb gilt|f ′n(z)− f ′(z)| ≤ L(∂∆′) ·Kn,

und die rechte Seite geht gegen 0 für n → ∞. Da Kn unabhängig von z ist,konvergiert (f ′n) gleichmäßig auf ∆ gegen f

′. 2

Durch Iteration erhalten wir als Folgerung:

Korollar 5.3 Unter den Voraussetzungen von Satz 5.5 gilt für die höherenAbleitungen f

(k)n , f (k): Die Folge (f

(k)n ) konvergiert auf G punktweise und auf

kompakten Teilmengen von G gleichmäßig gegen f (k).

Eine Illustration zum unterschiedlichen Konvergenzverhalten von Folgenholomorpher bzw. beliebig oft differenzierbarer Funktionen: Die Folge (fn)mit

fn(x) =1

nsinnx

konvergiert auf ganz R gleichmäßig gegen 0, aber die Folge der Ableitungen(f ′n) mit f

′n(x) = cosnx konvergiert nicht einmal mehr punktweise für jedes

x, z.B. nicht für x = π.Wir wollen nun (komplex) analytische Funktionen betrachten. Ist U ⊂

C eine offene Menge, so heißt eine Funktion f : U → C um z0 ∈ U ineine Potenzreihe entwickelbar, wenn es eine Umgebung V von z0 und einePotenzreihe

∞∑n=0

an(z − z0)n

mit Entwicklungspunkt z0 gibt, so dass

f(z) =∞∑n=0

an(z − z0)n für alle z ∈ V

5 Potenzreihen 50

gilt. Eine Funktion f : U → C heißt analytisch genau dann, wenn sich f umjeden Punkt z0 ∈ U in eine Potenzreihe entwickeln lässt.

Da Potenzreihen gliedweise differenziert werden dürfen, kommt als Po-tenzreihenentwicklung um einen Punkt z0 nur die Taylorreihe in Frage. Also:Wenn f analytisch ist, dann ist lokal

f(z) =∞∑n=0

f (n)(z0)

n!(z − z0)n.

Das reelle Analogon des folgenden Satzes ist wieder falsch.

Satz 5.6 Es sei G ⊂ C ein Gebiet, f : G → C sei holomorph und z0 ∈ G.Ferner sei ∆(z0) eine Kreisscheibe mit Mittelpunkt z0, die ganz in G liegt.

Dann gilt für alle z ∈ ∆(z0)

f(z) =∞∑n=0

f (n)(z0)

n!(z − z0)n.

Der Satz besagt also: Jede holomorphe Funktion ist analytisch, und diezu z0 ∈ G zu findende Umgebung kann als (offene) Kreisscheibe gewähltwerden, die ganz bis an den Rand von G heranragt.

Korollar 5.4 Unter den Voraussetzungen von Satz 5.6 ist der Konvergenz-radius der dortigen Taylorreihe

ρ ≥ sup{r | ∆r(z0) ⊂ G}= dist(z0, ∂G) = inf

ζ∈∂G|ζ − z0|.

(∆r(z0): offene Kreisscheibe mit Mittelpunkt z0 und Radius r)

Beweis von Satz 5.6. Es sei also z ∈ ∆(z0) gegeben und es sei ∆′ eine Kreis-scheibe mit Mittelpunkt z0, für die

z ∈ ∆′ ⊂ ∆′ ⊂ ∆(z0)

gilt. Nach der Cauchyschen Integralformel ist also

f(z) =1

2πi

∫∂∆′

f(ζ)

ζ − zdζ.

Nun ist1

ζ − z=

1

(ζ − z0)− (z − z0)=

1

(ζ − z0)(

1− z−z0ζ−z0

)

5 Potenzreihen 51

und es gilt für ζ ∈ ∂∆′ ∣∣∣∣z − z0ζ − z0∣∣∣∣ < 1.

Aufgrund der Summenformel für die geometrische Reihe erhalten wir

1

ζ − z=

1

ζ − z0

∞∑n=0

(z − z0ζ − z0

)n.

Also ist

f(z) =1

2πi

∫∂∆′

f(ζ)

(ζ − z0)(

1− z−z0ζ−z0

) dζ=

1

2πi

∫∂∆′

f(ζ)

ζ − z0

∞∑n=0

(z − z0ζ − z0

)ndζ

=1

2πi

∞∑n=0

∫∂∆′

f(ζ)

(ζ − z0)n+1dζ · (z − z0)n,

da die geometrische Reihe für ζ ∈ ∂∆′ gleichmäßig konvergiert. Nach derCauchyschen Integralformel für die höheren Ableitungen ist also

f(z) =∞∑n=0

f (n)(z0)

n!(z − z0)n.

2

Damit haben wir eine neue Charakterisierung holomorpher Funktionengefunden:

Satz 5.7 Es sei G ⊂ C ein Gebiet, f : G → C eine Funktion. Dann sindfolgende Aussagen äquivalent:

(i) f ist holomorph.

(ii) f ist analytisch.

(iii) f ist stetig und besitzt lokale Stammfunktionen.

(iv) f ist reell differenzierbar und genügt den Cauchy-Riemannschen Diffe-rentialgleichungen.

5 Potenzreihen 52

Um diesen Satz zu beweisen verwendeten wir also im Wesentlichen dieCauchysche Integralformel, die eine leichte Folgerung aus dem CauchyschenIntegralsatz war. Dieser wiederum beruhte auf dem Satz von Goursat. Dieserist also die Basis der bisherigen Theorie.

Wieso hat die Reihe von arctan nur den Konvergenzradius 1? Man siehtes an der Ableitung

arctan′(z) =1

1 + z2.

Die Reihe

arctan(x) = x− x3

3+x5

5± . . .

lässt sich analytisch auf die offene Einheitskreisscheibe”fortsetzen“, also auch

die Ableitung arctan′(x). Diese lässt sich aber nicht in die Punkte ±i derEinheitskreisscheibe fortsetzen. Also ist ρ = 1 der Konvergenzradius derabgeleiteten Reihe und damit auch der Potenzreihe von arctan.

Wir wollen nun Potenzreihenentwicklungen zur systematischen Untersu-chung holomorpher Funktionen benutzen.

Satz 5.8 Es sei G ein Gebiet, f : G→ C sei analytisch und nicht identisch0. Dann besitzt f nur isolierte Nullstellen, d.h. ist f(z0) = 0, so hat z0 eineUmgebung V , so dass für z ∈ V \ {z0} f(z) 6= 0 ist.

Beweis. Es sei f(z0) = 0. Da f analytisch ist, können wir in einer Umgebungvon z0 schreiben:

f(z) =∞∑n=1

f (n)(z0)

n!(z − z0)n.

Es sei nunn1 := min{n | f (n)(z0) 6= 0},

die Ordnung der kleinsten in z0 nicht verschwindenden Ableitung von f . Esist also 1 ≤ n1

5 Potenzreihen 53

Korollar 5.5 (Identitätssatz für Potenzreihen) Es seien∑∞

n=0 anzn

und∑∞

n=0 bnzn zwei Potenzreihen mit Konvergenzradien ρ1, ρ2 > 0. Die Men-

ge {z

∣∣∣∣∣∞∑n=0

anzn =

∞∑n=0

bnzn

}habe einen Häufungspunkt ζ ∈ ∆ρ1 ∩∆ρ2. Dann ist an = bn für alle n.

Beweis. Wir betrachten die Menge der Nullstellen von∞∑n=0

(an − bn)zn.

Nach Voraussetzung hat sie den Häufungspunkt ζ. Wegen der Stetigkeit derobigen Potenzreihe in ζ ist auch ζ eine Nullstelle von

∑∞n=0(an− bn)zn, aber

sie ist nicht isoliert. Also bleibt nur 0 = an − bn für alle n übrig. 2

Beispiel 5.2 Die Definitionen, die wir für exp(z), cos(z) und sin(z) als kom-plexe Funktionen gegeben haben, mögen anfangs sehr willkürlich ausgesehenhaben. Jetzt zeigt sich aber, dass dies die einzig möglichen Fortsetzungen derreellen Funktionen exp(x), cos(x) und sin(x) waren, um analytische Funk-tionen auf C zu erhalten: Je zwei in C analytische Funktionen, die auf Rübereinstimmen, müssen nämlich gleich sein: Ihre Taylorreihen im Nullpunktstimmen auf R überein, und R hat mehr als genug Häufungspunkte.

Beispiel 5.3 In jeder gelochten Umgebung des Nullpunkts (d.h. Umgebungohne den Nullpunkt) ist nach dem Identitätssatz die Funktion

z 7→ exp(− 1z2

)die einzige analytische Fortsetzung der entsprechenden C∞-Funktion R \{0} → R. Sie ist aber nicht analytisch, ja nicht einmal stetig nach 0 fortsetz-bar, da

limt∈R,t→0

exp

(− 1

(it)2

)= lim

t→0exp

(1

t2

)=∞ 6= 0.

Wir beweisen nun als Anwendung des Cauchyschen Integralsatzes:

Satz 5.9 (Riemannscher Hebbarkeitssatz) Es sei G ⊂ C ein Gebiet,a ∈ G, f : G \ {a} → C sei holomorph und es gelte

limz→a

f(z)(z − a) = 0.

Dann existiert limz→a f(z). Setzt man f(a) := limz→a f(z), so ist die sodefinierte Fortsetzung von f auf ganz G holomorph.

5 Potenzreihen 54

Beweis. Es sei ∆ eine Kreisscheibe mit Mittelpunkt a und ∆ ⊂ G.(a) Wir zeigen zunächst, dass die Cauchysche Integralformel für f in

∆ \ {a} gilt:Es sei z ∈ ∆, z 6= a. Die Funktion

g(ζ) :=f(ζ)− f(z)

ζ − z

ist in ∆ \ {z, a} definiert und holomorph und es gilt

limζ→z

g(ζ)(ζ − z) = 0,

limζ→a

g(ζ)(ζ − a) = limζ→a

(f(ζ)(ζ − a)

ζ − z− f(z)ζ − z

(ζ − a))

= 0.

Nach dem Cauchyschen Integralsatz mit Ausnahmepunkten (Satz 4.4) giltalso für jeden geschlossenen Weg γ in ∆ \ {z, a}:

0 =

∫γ

g(ζ) dζ =

∫γ

f(ζ)

ζ − zdζ − f(z) · 2πi · Uml(γ, z).

Ist insbesondere γ der Rand einer kleineren konzentrischen Kreisscheibe ∆′,die z und a enthält, so ist

f(z) =1

2πi

∫γ

f(ζ)

ζ − zdζ.

(b) Durch

z 7→ 12πi

∫γ

f(ζ)

ζ − zdζ =: f̂(z)

wird eine in ∆′ holomorphe Funktion erklärt, die nach (a) für z 6= a mit fübereinstimmt. Daher existiert

limz→a

f(z)(

= limz →a

f̂(z) = f̂(a))

und die Fortsetzung ist holomorph. 2

Definition Wegen dieses Satzes bezeichnet man einen Punkt a wie in Satz 5.9als eine hebbare Singularität.

Die Potenzreihenentwicklung holomorpher Funktionen soll nun verwendetwerden, um Nullstellen und Pole zu klassifizieren.

5 Potenzreihen 55

Dazu sei wie immer G ⊂ C ein Gebiet, f : G→ C holomorph und z0 ∈ G.In einer gewissen Umgebung von z0 lässt sich f(z) schreiben als:

f(z) =∞∑k=0

f (k)(z0)

k!(z − z0)k, ck :=

f (k)(z0)

k!.

Nach Definition ist z0 genau dann eine Nullstelle von f , wenn f(z0) = 0 ist,d.h. c0 = 0 ist.

Definition Die Funktion f hat in z0 eine Nullstelle der Ordnung ν, wenn

c0 = c1 = . . . = cν−1 = 0 und cν 6= 0

ist. Die Zahl ν heißt auch Vielfachheit der Nullstelle z0.

Hat f in z0 eine Nullstelle der Ordnung ν, so gibt es eine holomorpheFunktion fν auf G mit fν(z0) 6= 0 und

f(z) = (z − z0)νfν(z) in G.

Denn z0 ist eine hebbare Singularität von

fν(z) :=f(z)

(z − z0)ν= cν + cν+1(z − z0) + . . .

=∞∑k=ν

ck(z − z0)k−ν .

Definition Es sei z0 ∈ G und f sei definiert und holomorph in G \ {z0}.Dann heißt z0 isolierte Singularität von f . Der Punkt z0 heißt Pol von fgenau dann, wenn

limz→z0|f(z)| =∞

ist, d.h. wenn es für alle M > 0 ein δ > 0 gibt, so dass für alle z ∈ G \ {z0}gilt

|z − z0| < δ ⇒ |f(z)| > M.

Ist U eine (offene) Umgebung von z0, so nennen wir U \ {z0} auch einepunktierte Umgebung von z0.

Ist z0 Pol von f , so gibt es eine punktierte Umgebung U \ {z0} von z0,auf der f nicht verschwindet. Auf U \{z0} ist 1f definiert und holomorph undes gilt

limz→z0

1

f(z)= 0.

5 Potenzreihen 56

Insbesondere ist also z0 eine hebbare Singularität von1f; also ist 1

fholomorph

fortsetzbar und man hat in U \ {z0} die Darstellung

1

f(z)= (z − z0)νh(z), h(z0) 6= 0,

mit einer in U holomorphen, in z0 nicht verschwindenden Funktion h undeiner eindeutig bestimmten Zahl ν ≥ 1. Die Zahl ν ist dabei die Ordnung derNullstelle von 1

f. Wir können dafür auch schreiben

f(z) = (z − z0)−ν h̃(z),

wobei h̃ holomorph in einer Umgebung von z0 ist und h̃(z0) 6= 0 gilt. Formalsieht also ein Pol wie eine Nullstelle der Ordnung −ν < 0 aus.

Definition Die Zahl ν heißt die Ordnung des Pols z0.

Bevor wir zur Klassifikation von Singularitäten kommen, müssen wir nocheinen kleinen Exkurs in die Topologie machen:

Es sei U ⊂ C eine offene Teilmenge. Wir hatten definiert: U heißt weg-zusammenhängend, wenn je zwei Punkte von U durch einen Weg verbindbarsind.

Definition Die Menge U heißt (mengentheoretisch) zusammenhängend ge-nau dann, wenn aus U = U1 ∪ U2, U1, U2 offen, U1 ∩ U2 6= ∅, folgt U1 = ∅oder U2 = ∅ (wenn es also unmöglich ist, U als disjunkte Vereinigung zweiernichtleerer offener Mengen zu schreiben).

Satz 5.10 Ist U ⊂ C offen, so ist U genau dann wegzusammenhängend,wenn U mengentheoretisch zusammenhängend ist.

Zunächst einige Vorbemerkungen zum Beweis dieses Satzes.

Bemerkung 5.1 Eine Menge U ist genau dann nicht mengentheoretischzusammenhängend, wenn es eine stetige surjektive Funktion U → {0, 1}gibt. Dabei habe {0, 1} die Teilraumtopologie von R, d.h. insbesondere sind{0} und {1} offene Mengen.

Es sei U ⊂ C offen. Wir sagen, a, b ∈ U seien verbindbar, wenn es einenWeg γ : [0, 1]→ U gibt, der a und b verbindet.

Lemma 5.2”

Verbindbar“ ist eine Äquivalenzrelation in U und alle Äqui-valenzklassen sind offen.

5 Potenzreihen 57

Beweis. Dass”verbindbar“ eine Äquivalenzrelation in U ist, ist klar.

Ist a ∈ U , so sei Ua die Äquivalenzklasse von a, also die Menge aller mita verbindbaren Punkte.

funktionentheorie - leibniz universität hannover · 2020. 7. 16. · tionen kann man ohne muhe...

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